JP5916023B2 - 半導体非破壊検査装置及び半導体非破壊検査方法 - Google Patents

半導体非破壊検査装置及び半導体非破壊検査方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体ウェハや半導体デバイス等の半導体層を含む積層構造体に対して、レーザー光を照射することにより当該積層構造体の各層の電子物性情報や各層間界面の電子物性情報を非破壊で取得する半導体非破壊検査装置及び半導体非破壊検査方法に関する。
ＬＳＩの微細化技術においては、今までスケーリング（比例縮小）によって微細化が進められてきたが、今後スケーリング技術だけではＬＳＩのさらなる微細化を進めていくことは困難である。そのため、次世代半導体技術としては、ＬＳＩのさらなる微細化が可能なポストスケーリング技術が検討されており、具体的には、歪みＳｉによるキャリア移動度制御等がそのひとつとして挙げられる。このような次世代半導体技術により次世代半導体デバイスが実現した場合、従来より高度な半導体検査技術や半導体評価技術も合わせて必要となる。従来から知られる、半導体ウェハや半導体デバイス（半導体集積回路）等を検査する検査装置や検査方法としては、レーザー光を利用して非破壊で検査を行う技術が知られている（例えば、特許文献１〜４参照）。
特許文献１及び特許文献２においては、レーザー光を炭化珪素（ＳｉＣ）半導体からなるＳｉＣウェハに照射することで、ＳｉＣウェハから放射された光を分光器によって検出し、測定した光強度に基づいて半導体装置の特性劣化を判定する装置及び方法が開示されている。
特許文献３では、所定の電圧印加状態を保持した半導体デバイス（半導体集積回路）において、極短パルスレーザーを半導体デバイスの２次元回路上に照射し、該照射位置から放射される電磁波を検出し、該電磁波の有無又は強さから照射位置の断線を非接触で検出する集積回路断線検査方法と装置が開示されている。
特許文献４においては、極短パルスレーザー光を半導体デバイスにおけるｐｎ接合あるいは金属半導体界面などビルトイン電界の発生箇所に照射することで、該照射位置から放射される電磁波の時間波形から電界分布を検出し、故障診断を行う方法と装置が開示されている。
特開２００９−８８５４７号公報 特開２００４−２８９０２３号公報 特許第４００１３７３号公報 特許第４６８３８６９号公報
しかしながら、特許文献１、２においては、レーザー光の照射による半導体ウェハからの発光が起こらない場合は、すなわち、半導体表面に欠陥のない半導体ウェハの場合では、半導体表面における欠陥の有無以外の詳細な検査を行うことができなかった。
また、特許文献３に記載の検査方法と装置においては、検査を行うにあたって、半導体デバイスに電圧を印加するために電極構造を設けるとともに、当該半導体デバイスを所定の電圧印加状態に保持する必要があり、例えば、半導体デバイスの製造に用いられる半導体ウェハそのものには適用することができなかった。
一方、特許文献４に記載の検査方法及び装置においては、特許文献３に記載の検査方法及び装置のように半導体デバイスに電圧を印加する必要はないが、半導体デバイスにｐｎ接合あるいは金属半導体界面が半導体デバイス内にビルトインされている必要があり、検査対象が限られている。
また、特許文献４に記載の検査方法及び装置においては、積層構造を有する半導体デバイスを検査する際に、当該半導体デバイスの深さ方向（積層方向）の数か所から同時に電磁波が発生する場合は、故障診断することが困難であった。
すなわち、従来の半導体検査技術では、半導体ウェハのような積層構造体の深さ方向（積層方向）の数か所から同時に電磁波が発生した場合、当該電磁波の解析はできず、その検査対象も電極構造やｐｎ接合されているものに限定されており、半導体検査装置としては汎用性に欠けるものであった。また、次世代半導体技術（ポストスケーリング技術）を実現するにあたっては、半導体検査技術の向上も合わせて必要であり、例えば、積層構造を有する半導体ウェハの場合、当該半導体ウェハの深さ方向（積層方向）の各層の電子物性情報や各層間界面の電子物性情報を得ることが望まれる。しかしながら、従来の半導体検査技術では、非破壊で当該積層構造体の各層の電子物性情報や各層間界面における電子物性情報まで得ることができなかった。
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、半導体ウェハや半導体デバイス等の半導体層を含む積層構造体から当該積層構造体の各層の電子物性情報や各層間界面の電子物性情報を取得することができる半導体非破壊検査装置及び半導体非破壊検査方法を提供することを目的とする。
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
即ち、本発明においては、
半導体層を含む積層構造体に対して所定の波長を有するパルスレーザー光を照射し、当該パルスレーザー光照射位置から放射される電磁波により前記積層構造体を非破壊で検査する半導体非破壊検査装置であって、
前記パルスレーザー光をプローブ光とポンプ光とに２分割するレーザー光分割手段と、
前記積層構造体に前記ポンプ光を照射することで、当該ポンプ光照射位置から前記電磁波を放射させる手段と、
前記ポンプ光照射位置から放射される前記電磁波が入射され、当該入射された電磁波の振幅強度に応じた電流を発生させる検出素子と、
前記検出素子に接続され、前記検出素子で発生した電流を電圧に変換する電流アンプと、
前記電流アンプに接続され、前記電流アンプで変換された電圧を前記電磁波の振幅強度の時間波形に対応した時間的に変化する電圧信号に変換するロックインアンプと、
前記プローブ光の光路に配置され、前記検出素子に前記電磁波が入射する時間を周期的に遅延可能である時間遅延手段と、
前記時間的に変化する電圧信号と、予め参照データとして準備した前記積層構造体を構成する各単層構造体の時間的に変化する電圧信号を比較することで、前記積層構造体の各層の電子物性情報又は各層間界面の電子物性情報を取得する物性情報取得手段と、
を有し、
前記電磁波の振幅強度は、
前記積層構造体の各層間界面に形成される空乏層にそれぞれ対応して前記各層間界面近傍に形成される局所電界の向き及び大きさに応じて比例するとともに、前記各層間界面近傍からそれぞれ放射される電磁波の振幅強度が合算されたものであり、
前記局所電界の向き及び大きさは、前記積層構造体の各層の物性状態や該各層間の界面の物性状態によって変化し、
組成の異なる前記積層構造体を検査する際に、各積層構造体の前記時間的に変化する電圧信号の波形パターンを比較する半導体非破壊検査装置である。
本発明においては、
前記積層構造体の前記時間的に変化する電圧信号の周波数成分と、予め参照データとして準備した前記積層構造体を構成する各単層構造体の時間的に変化する電圧信号の周波数成分を算出する算出手段をさらに有し、
前記物性情報取得手段は、前記積層構造体の前記時間的に変化する電圧信号の周波数成分と、前記各単層構造体の時間的に変化する電圧信号の周波数成分を比較することで、前記積層構造体の各層の電子物性情報又は各層間界面の電子物性情報を取得する半導体非破壊検査装置である。
本発明においては、
前記パルスレーザー光の中心波長を変化させる波長変化手段をさらに有する半導体非破壊検査装置である。
本発明においては、
前記積層構造体に前記ポンプ光を照射して、２次元的に走査する走査手段をさらに有する半導体非破壊検査装置である。
本発明においては、
前記パルスレーザー光の偏光方向を任意の角度に回転させる機構をさらに有する半導体非破壊検査装置である。
本発明においては、
前記半導体非破壊検査装置を用いて、半導体層を含む積層構造体に対して所定の波長を有するパルスレーザー光を照射し、当該パルスレーザー光照射位置から放射される電磁波により前記積層構造体を非破壊で検査する半導体非破壊検査方法であって、
前記パルスレーザー光をプローブ光とポンプ光とに２分割する分割工程と、
前記ポンプ光を前記積層構造体に照射し、前記積層構造体から放射される電磁波を集光して、前記検出素子に入射させる入射工程と、
前記プローブ光を、所定の周期にて時間遅延させながら、前記ポンプ光により放射された前記パルス電磁波の入射と同期させて前記検出素子に照射するプローブ光照射工程と、
前記プローブ光の照射時に前記検出素子に入射した前記ポンプ光による前記パルス電磁波の振幅強度を検出することで、前記積層構造体における遅延時間の異なる複数の前記パルス電磁波の振幅強度を取得して、前記積層構造体における前記パルス電磁波の時系列波形を生成する時系列波形生成工程と、
前記積層構造体に帰属する時系列波形と、予め参照データとして準備した前記積層構造体を構成する各単層構造体に帰属する時系列波形を比較することで、前記積層構造体の各層の電子物性情報又は各層間界面の電子物性情報を取得する工程と、を有する半導体非破壊検査方法である。
本発明によれば、半導体ウェハや半導体デバイス等の半導体層を含む積層構造体において、非破壊非接触で当該積層構造体の各層の電子物性情報や各層間界面の電子物性情報を含む信号を取得することができる。
本発明の一実施形態に係る半導体非破壊検査装置を示す概略図。 検査対象である半導体ウェハを示す図。 半導体ウェハのＳＩＭＳ評価結果を示す図。 半導体ウェハのエネルギーバンド構造を示す図。 半導体ウェハへのレーザー光照射と照射位置から放射される電磁波を示す図。 半導体非破壊検査方法のフローを示す図。 時系列波形の生成方法の説明図。 Ｇｅ組成が異なる各試料を説明するための説明図。 Ｇｅ組成が異なる各試料の振幅強度の時系列波形を示す図。 図９に示す各時系列波形を規格化した図。 ２次元で振幅強度を表した試料の検査結果を示す図。 半導体ウェハ端部の検査結果を示す図であり、（ａ）は半導体非破壊検査装置による検査結果を示す図、（ｂ）は従来のラマンによる歪測定の結果を示す図。
以下、本発明の最良の実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には、同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図１に、本発明に係る半導体非破壊検査装置の実施例を示す。
半導体非破壊検査装置１は、半導体層を含む積層構造体である半導体ウェハ５に対して所定の波長を有するパルスレーザー光を照射し、当該パルスレーザー光照射位置から放射されるパルス電磁波１０を解析することにより前記半導体ウェハ５を非破壊かつ非接触で検査する非破壊検査装置である。ここで、「半導体層を含む積層構造体」とは、少なくとも１層の半導体層を含む積層構造体であって、例えば、積層構造を有する、半導体ウェハ、半導体デバイス及び半導体素子等のことを指す。
半導体非破壊検査装置１は、パルスレーザー光源２から照射されたパルスレーザー光９をプローブ光Ｌ１とポンプ光Ｌ２とに２分割するレーザー光分割手段（ビームスプリッタ１４）と、前記半導体ウェハ５の一面の所定の位置に前記ポンプ光Ｌ２を照射することで、当該ポンプ光Ｌ２照射位置からパルス電磁波１０を放射させる手段（パルスレーザー光源２）と、半導体ウェハ５に前記ポンプ光Ｌ２を照射して、２次元的に走査する走査手段（走査台７、パルスレーザー光源２）と、前記半導体ウェハ５の前記ポンプ光Ｌ２照射位置から放射される前記パルス電磁波１０の振幅強度を検出し、前記パルス電磁波１０の振幅強度の時間波形に対応した時間的に変化する電圧信号に変換する検出・変換手段（検出・変換装置４）と、前記プローブ光Ｌ１の光路に配置され、前記検出・変換装置４にて前記振幅強度が検出される時間を周期的に遅延可能である時間遅延手段１５と、前記時間的に変化する電圧信号と、予め参照データとして準備した前記半導体ウェハ５を構成する各単層構造体の時間的に変化する電圧信号を比較することで、前記半導体ウェハ５の各層の電子物性情報又は各層間界面の電子物性情報を取得する物性情報取得手段（制御・解析装置８）と、を有する。以下、本発明に係る原理、及び、装置構成の詳細について説明する。
前記検出・変換手段（検出・変換装置４）は、具体的には、前記ポンプ光Ｌ２照射位置から放射される前記パルス電磁波１０が入射され、当該入射されたパルス電磁波１０の振幅強度に応じた電流を発生させる検出素子１９と、当該検出素子１９に接続され、当該検出素子１９で発生した電流を電圧に変換する電流アンプ２７と、当該電流アンプ２７に接続され、当該電流アンプ２７で変換された電圧を前記パルス電磁波１０の振幅強度の時間波形に対応した時間的に変化する電圧信号に変換するロックインアンプ２８と、から構成される。また、前記時間遅延手段１５は、前記プローブ光Ｌ１の光路に配置され、前記検出素子１９に前記パルス電磁波１０が入射する時間を周期的に遅延可能である。
なお、本発明における「電子物性情報」とは、前述した半導体ウェハ等の「半導体層を含む積層構造体」における固体電子物性に関する物性値などの情報である。このような「電子物性情報」としては、特に限定するものではないが、例えば、半導体のキャリア濃度、キャリア（電子、正孔）の移動度、キャリア寿命、原子配列（結晶方向に関する情報）、有効質量（ｍ＊）、及び層間電界分布などが挙げられる。
先ず、レーザー光照射による電磁波の発生原理を説明する。半導体中（本実施形態では半導体ウェハ５中）の電場Ｅが存在する場所に、バンドギャップよりも大きなエネルギーをもつレーザー光を照射すると、光励起による電子・正孔対が生成し、その電子・正孔対が電場Ｅによって加速されるために電流が発生する。レーザー光が連続光の場合は、定常的な電流が流れるが、レーザー光がパルス光の場合には、励起された電子・正孔対はある一定の時間で緩和し、電流も流れなくなるため、光パルスの幅と緩和時間に依存して、パルス状の電流が流れる。古典電磁気学のＭａｘｗｅｌｌの方程式から導出される下記（１）式によれば、半導体に流れる電流に時間変化が発生した場合、該半導体より電磁波が放射される。
上記（１）式において、Ｅｅｍｉｓｓｉｏｎは、電磁波の電界ベクトル、Ｊは、光電流密度ベクトル、ｎは、光励起された電子・正孔対の密度、ｅは、素電荷量、ｖは、光が照射された位置における半導体中の電場Ｅｌｏｃａｌによって加速された電子・正孔対のドリフト速度、μは、電荷の移動度である。
（１）式からわかるように、発生する電磁波の振幅強度は、光が照射された位置における半導体中の電場Ｅｌｏｃａｌに比例する。
次に、本願発明者が鋭意研究の結果、新たに見出した現象について図２から図４を用いて説明する。本発明はこの新たに見出した現象の知見に基づいてなされたものである。
図２は、前記半導体ウェハ５の概要図である。半導体ウェハ５は、円盤状で積層構造を有する。半導体ウェハ５は、ｐ−Ｓｉ基板（ｐ型シリコン基板）と、当該ｐ−Ｓｉ基板上にホモエピタキシャル成長により形成されたＳｉバッファ層（以下、Ｓｉ層という）と、当該Ｓｉ層上にエピタキシャル成長により形成されたＳｉＧｅ層と、を具備する。すなわち、半導体ウェハ５は、ｐ−Ｓｉ基板と、該ｐ−Ｓｉ基板の一端面（図２においては上端面）に当接するように形成され、所定の厚さを有するＳｉ層と、該Ｓｉ層の一端面（図２においては上端面）に当接するように形成され、所定の厚さを有するＳｉＧｅ層と、を有する。なお、ｐ−Ｓｉ基板は、Ｓｉ層及びＳｉＧｅ層に比べて十分な厚さを有し、Ｓｉ層及びＳｉＧｅ層を安定して保持する基板である。
本願発明者は、図２に示す所定の積層構造を有する半導体ウェハ５（ＳｉＧｅ層／Ｓｉバッファ層／ｐ−Ｓｉ基板からなる積層構造体）をＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）にて測定した。図３は、当該半導体ウェハ５についてのＳＩＭＳ評価結果を示す図であり、横軸は深さ（ｎｍ）を示しており、縦軸右側はＧｅ（ゲルマニウム）濃度（ａｔｏｍ％）、縦軸左側はＢ（ホウ素）濃度（ａｔｏｍ％）を示している。図３に示すように、ＳｉＧｅ層とＳｉ層との界面Ｆ１、及びＳｉ層とｐ−Ｓｉ基板の界面Ｆ２においてＢ濃度が高くなっている。これは、各層間界面Ｆ１、Ｆ２へのＢ吸着やＢ拡散が起こっていることを示したものであり、界面Ｆ１、Ｆ２においてＢ汚染が起こっていることがわかる。このようなＢ汚染は、半導体デバイスを製造するに際し、種々のルートからのＢのコンタミネーションによるものであることは知られている（特開平１０−３２１７２号公報参照）。すなわち、特開平１０−３２１７２号公報に記載されているように、各層間の界面のＢ汚染により、半導体デバイスの電気特性に悪影響を及ぼす問題があることが知られている。
本願発明者は、上記半導体ウェハ５に対して、パルスレーザー光を照射すると、当該半導体ウェハ５の２つの界面であるＳｉＧｅ層とＳｉ層との界面Ｆ１、及びＳｉ層とｐ−Ｓｉ基板の界面Ｆ２に対応する領域から電磁波が放射される現象を確認した（図４参照）。この現象を図４を用いて、以下に詳しく説明する。
図４は、半導体ウェハ５のエネルギーバンド構造を示す図であり、横軸は位置（深さ方向）を示しており、縦軸はエネルギーを示している。また、図中のＥＣは伝導帯であり、ＥＶは価電子帯である。第１層部（上記半導体ウェハ５では、ＳｉＧｅ層）と第２層部（上記半導体ウェハ５では、Ｓｉ層）、及び第２層部と第３層部（上記半導体ウェハ５では、ｐ−Ｓｉ基板）の各境界となる界面には、空乏層が形成される。空乏層とは、キャリアが存在しない領域であり、該空乏層には局所電界Ｅ（界面Ｆ１近傍には局所電界ＥＩ、界面Ｆ２近傍には局所電界ＥＩＩ）が形成されている。したがって、外部から電圧を印加しなくても、空乏層には定常的に電界が存在していることになる。この空乏層に光を照射し、電子・正孔対を生成すると、（１）式にしたがって、電磁波が発生する。つまり、ＳｉＧｅ層とＳｉ層との界面Ｆ１、及びＳｉ層とｐ−Ｓｉ基板の界面Ｆ２のそれぞれに空乏層が形成され、当該各空乏層に光を照射すると、電子・正孔対を生成し、（１）式にしたがって、電磁波が界面Ｆ１、界面Ｆ２の各界面から放射される。
ここで、上記のように、複数の界面から電磁波が発生する原理において特に重要な点は、上記半導体ウェハ５のような半導体層を含む積層構造体における界面Ｆ１、Ｆ２のそれぞれに対応する局所電界ＥＩ、ＥＩＩが形成されていることである。局所電界ＥＩ、ＥＩＩの向き及び大きさは、当該半導体ウェハ５における各層間の境界である界面の物性状態（例えば、上記半導体ウェハ５では界面Ｆ１、Ｆ２のＢ汚染状態等）よって変わる。また、界面の物性状態だけではなく、当該半導体ウェハ５の各層に由来する物性状態（例えば、半導体ウェハ５では、ＳｉＧｅ層中のＧｅ濃度）によって変わるものである。このように、界面の物性状態や各層の物性状態によって当該局所電界ＥＩ、ＥＩＩの向き及び大きさも変わり、これに応じてレーザー光照射時に放射される電磁波の振幅強度も変化する。つまり、この電磁波の振幅強度が半導体ウェハ５における各層や各層間界面の物性状態の変化を表すことになる。
具体的には、図３に示すＳＩＭＳ評価結果と図４に示すエネルギーバンド構造は対応しており、図３に示す界面Ｆ１、Ｆ２に吸着しているＢ濃度に応じて、図４に示す界面Ｆ１、Ｆ２のエネルギーレベルが変化するため、界面Ｆ１、Ｆ２に形成される各空乏層の局所電界ＥＩ、ＥＩＩもそれぞれ変化し、局所電界ＥＩ、ＥＩＩのそれぞれに比例する前記パルス電磁波の各振幅強度も変化することになる。図４においては、点線丸印で囲んだ領域が局所電界ＥＩ、ＥＩＩが形成されている領域であり、パルスレーザー光を照射した際にパルス電磁波（テラヘルツ波）が放射されるＴＨｚ放射領域となる。半導体ウェハ５は、ｐ−Ｓｉ基板を含めると三つの層からなるものであり、界面が２つ存在する。例えば、半導体ウェハ５にパルスレーザー光を照射した場合に、照射位置から放射されるパルス電磁波は、図２に示す半導体ウェハ５の場合、界面Ｆ１近傍によるＴＨｚ放射Ｉと界面Ｆ２近傍によるＴＨｚ放射ＩＩとを合算したものとして観測される。また、図２に示す半導体ウェハ５においてＳｉＧｅ層がない場合、つまり、ｐ−Ｓｉ基板の上にＳｉ層のみを有する場合では、ＴＨｚ放射ＩＩのみからなる電磁波の振幅強度として観測される。さらに、これらＴＨｚ放射Ｉ、ＩＩにおけるパルス電磁波の各振幅強度の時間波形に対応した電圧信号を算出して解析すれば、界面Ｆ１近傍、界面Ｆ２近傍のそれぞれに吸着しているＢ濃度との関係が明らかとなる。このように、本願発明者は、半導体ウェハ５の各層間の界面物性（例えば、界面に吸着したＢ濃度）や半導体ウェハ５の各層の物性状態（具体例は後述するが、例えば、ＳｉＧｅ層中のＧｅ組成）と、半導体ウェハ５にパルスレーザー光を照射した際に放射されるパルス電磁波の振幅強度の時間波形に対応した電圧信号との間に所定の関係があることを見出した。さらに、本発明では、この新しく見出した知見を活かし、半導体ウェハ等の積層構造体の深さ方向（積層方向）の複数箇所の界面や各層から同時に電磁波が発生している場合でも、積層構造体の各界面や各層に帰属する、電磁波の振幅強度の時間波形に対応する電圧信号として取得し、当該電圧信号を積層構造体の各界面や各層に帰属する種々の物性情報（例えば、後述する半導体ウェハにおける不純物の濃度）と関連付けて解析することで、半導体ウェハ等の半導体層を含む積層構造体を検査することができる新しい技術を見出したものである。
なお、上記電圧信号に関連付けて解析する物性情報としては、上記のように半導体層を含む積層構造体の各界面や各層に存在する物質濃度に限定するものではなく、半導体物性であるキャリア寿命、電子移動度、層間電界分布、及び結晶方向等も挙げられる。
以上のように、本発明では、半導体層を含む積層構造体である半導体ウェハ５にパルスレーザー光９を照射することにより、照射位置から放射されるパルス電磁波の振幅強度を計測し、当該振幅強度による時間波形に対応する電圧信号を取得することで、従来技術のように電圧を印加するために電極構造にすることなく積層構造体の各層の電子物性情報や各層間界面の電子物性情報に関する信号を検出することができる。
以上の原理を用い、図１に示す装置構成によって、半導体ウェハ５の検査が行われる。
図１は、本実施例の半導体非破壊検査装置の概略図である。この図に示すように、本実施例の検査装置１は、照射装置（光学系）、検出・変換装置４、及び制御・解析装置８を備える。
図１において照射装置（光学系）は、パルスレーザー光源２、ビームスプリッタ１４、時間遅延手段１５、光チョッパー１６、ポンプ光集光手段１８及び、走査台７から主に構成される。照射装置（光学系）は、半導体ウェハ５に所定の波長を有するパルスレーザー光９（ポンプ光Ｌ２）を照射する機能を有する。
なお、パルスレーザー光９の方向を変更するために使用した鏡等の構成は、本実施形態に限定するものではなく、各構成部品の配置を考慮して、例えば更に鏡の数を増やす等適宜構成を変更してもかまわない。
さらに、照射装置は、パルスレーザー光９を照射して２次元的に走査する走査手段を有する。つまり、走査手段は、前記走査台７において、図示しない駆動装置を用いて前記半導体ウェハ５を走査台７（ＸＹ自動ステージ）上で往復移動させつつ、パルスレーザー光９を前記半導体ウェハ５に向けて照射する機能を有している。前記走査手段により前記半導体ウェハ５にパルスレーザー光９を照射して、２次元的に走査することで、前記積層構造体の電子物性情報の分布を取得することができる。
また、このパルスレーザー光９の分割光であるポンプ光Ｌ２は、図５に示すごとく、半導体ウェハ５のレーザー光照射面に対して照射されるものであり、前記走査台７に固定された半導体ウェハ５を動かすことによって、ポンプ光Ｌ２が照射される位置に、半導体ウェハ５を移動して、半導体ウェハ５のレーザー光照射面が走査されるようにし、ポンプ光Ｌ２を照射すると半導体ウェハ５のレーザー光照射位置から、連続的に、パルス電磁波１０が放射される。
なお、走査する構成はこの実施例の構成に限定されず、図示しない揺動または回転するミラー等により、パルスレーザー光９を半導体ウェハ５の上で２次元的に走査したり、パルスレーザー光源２を揺動したりして照射してもよい。
また、図１に示すごとく、本実施例では、パルスレーザー光９とパルス電磁波１０の経路によってなす面を略水平面とする構成、即ち、図１は上面視の構成であり、この構成を側面から見た場合に、前記パルスレーザー光９とパルス電磁波１０が略水平面をなすような配置構成としているが、各装置の形状及び固定方法によって適宜設定することが望ましく、前記略水平面を構成する必要はない。
前記パルスレーザー光９の分割光であるポンプ光Ｌ２の半導体ウェハ５への入射角は、パルスレーザー光９（ポンプ光Ｌ２）の有する波長が、半導体ウェハ５へ最も吸収される角度とすることが好ましい（本実施形態における入射角４５°）。ただし、各装置の形状及び固定方法によっては、この角度に限定する必要はなく、特に限定されるものではない。
パルスレーザー光源２は、パルスレーザー光９を照射する手段である。パルスレーザー光源２は、パルスレーザー光９を前記半導体ウェハ５のレーザー光入射面に照射することで、当該照射位置における物性情報に依存する振幅強度を持ったパルス電磁波１０を放射させる手段である。また、本実施例におけるパルスレーザー光源２としては、フェムト秒チタンサファイアレーザー（繰り返し周波数８２ＭＨｚ、出力８９０ＭＨｚ、中心波長７８０ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ）を用いる。
また、パルスレーザー光源２は、本実施例の如く、パルスレーザー光９を発生可能なモード同期チタンサファイアレーザー、又はフェムト秒ファイバーレーザであるのがよい。
また、このパルスレーザー光９の波長は、３００ナノメートル（３００ｎｍ＝０．３μｍ）以上、２ミクロン（２μｍ）以下の範囲に含まれるものであり、時間平均のエネルギーが０．１ｍＷ以上、１０Ｗ以下であり、パルス幅が１フェムト秒（１ｆｓ＝０．００１ｐｓ）以上、１０ピコ秒（１０ｐｓ）以下であるのがよい。
すなわち、電磁波の励起に際しては、光源として時間の幅の小さなパルスレーザー光９を用いることにより、半導体ウェハ５に大きな熱的影響を及ぼさない状態で、電磁波の励起ができる。また、特にパルスレーザー光９としてフェムト秒レーザー光を使用することで、高い時間分解能による時間分解計測が可能となり、検査対象である半導体ウェハ５をリアルタイムで観測可能となる。なお、半導体ウェハ５に熱的影響を及ぼさない最大光パルス幅は、約１０ピコ秒と見積ることができる。また、フェムト秒レーザーを使用することで、レーザーによる加熱の影響を最小限に抑えることができるという効果がある。
ビームスプリッタ１４は、入射するパルスレーザー光９をプローブ光Ｌ１とポンプ光Ｌ２とに分割する手段であり、本実施例においては、直進するプローブ光Ｌ１に対してポンプ光Ｌ２を垂直方向に分割可能であるハーフミラーを用いている。また、プローブ光Ｌ１は検査対象である半導体ウェハ５の検査の際の同期を取得するために用いられる光であり、ビームスプリッタ１４から時間遅延手段１５、鏡３１、鏡３４、レンズ３５を介して前記検出・変換装置４（後述する検出素子１９）に照射される。また、ポンプ光Ｌ２は、ビームスプリッタ１４から鏡２９、光チョッパー１６、鏡３０を介して半導体ウェハ５の照射面に照射される。
時間遅延手段１５は、前記プローブ光Ｌ１の光路に配置され、前記検出・変換装置４にて前記振幅強度が検出される時間を周期的に遅延可能である手段である。すなわち、時間遅延手段１５は、前記プローブ光の光路に配置され、前記検出素子１９にパルス電磁波１０が入射する時間を周期的に遅延可能である手段である。時間遅延手段１５は、図示しない駆動手段により周期的に所定方向に移動可能である可動鏡１５ａと、当該可動鏡１５ａを保持するステージ１５ｂとを備える。時間遅延手段１５は、当該時間遅延手段１５に入射されるプローブ光Ｌ１を、当該プローブ光Ｌ１の入射方向に対して、平行かつ反対方向に反射することができる。こうして、時間遅延手段１５は、駆動手段により可動鏡１５ａをプローブ光Ｌ１の入射方向に対して平行かつ周期的に往復移動することによりプローブ光Ｌ１の光路長を調節し、光学的に時間遅延することが可能である。また、駆動手段は、制御・解析装置８により制御される。
すなわち、時間遅延手段１５は、前記プローブ光Ｌ１の光路長を調整するための可動鏡１５ａを周期的に移動させることで所定時間間隔の時間遅延量を付与したプローブ光Ｌ１を前記検出・変換装置４（後述する検出素子１９）に入射することができる。
光チョッパー１６は、ポンプ光Ｌ２の光路に配置され、当該ポンプ光Ｌ２を所定の周波数にてチョッピングすることが可能である。
検出・変換装置４は、前記半導体ウェハ５の前記パルスレーザー光照射位置から放射される前記パルス電磁波１０の振幅強度を検出する手段である。検出・変換装置４は、図１に示すように、電磁波検出手段である検出素子１９と、ポンプ光集光手段１８と、変換手段と、から構成される。検出・変換装置４は、半導体ウェハ５から放射されたパルス電磁波１０をポンプ光集光手段１８である軸外し放物面鏡により集光し、この集光されたパルス電磁波１０を検出して、パルス電磁波１０の振幅強度（電場振幅）の時間波形に対応した時間的に変化する電圧信号（以下、時系列波形ともいう）に変換するものである。
検出素子１９は、前記ポンプ光Ｌ２照射位置から放射されるパルス電磁波１０が入射され、当該入射されたパルス電磁波１０の振幅強度に応じた電流を発生させる素子である。検出素子１９は、例えば光伝導アンテナ等であり、半導体ウェハ５の照射面におけるポンプ光Ｌ２照射位置から発生するパルス電磁波１０を入射可能に配置され、当該パルス電磁波１０の入射と同期させて、プローブ光Ｌ１を検出素子１９の所定位置に照射すると、当該照射時に入射したパルス電磁波１０の振幅強度に比例した電流が発生する。
ポンプ光集光手段１８は、一対からなる軸外し放物面鏡であり、検査対象である半導体ウェハ５と検出素子との間に配置して、半導体ウェハ５から放射されたパルス電磁波１０を集光して検出素子１９の一端に照射するものである。
変換手段は、検出素子１９に接続される電流アンプ２７と、当該電流アンプ２７に接続されるロックインアンプ２８とを備える。電流アンプ２７は、前記検出素子１９に接続され、前記検出素子１９で発生した電流を電圧に変換するものである。ロックインアンプ２８は、前記電流アンプ２７に接続され、前記電流アンプ２７で変換された電圧をパルス電磁波１０の振幅強度の時間波形に対応した時間的に変化する電圧信号に変換するものである。また、ロックインアンプ２８は光チョッパー１６と接続されている。この変換手段では、上記検出素子１９にて発生した電流を測定することにより、プローブ光Ｌ１が検出素子１９に照射した時に入射したパルス電磁波１０の振幅強度を検出することが可能である。また、前記パルス電磁波１０に含まれる周波数の成分は、１０ギガヘルツから１００テラヘルツまでの範囲に含まれることとし、これにより、一般的な構成の検出・変換装置４の利用が可能となる。また、本発明に係る半導体非破壊検査装置１を構成する上で、利用するパルス電磁波１０としては、ギガヘルツ領域よりもテラヘルツ領域が好ましい。テラヘルツ領域を利用する場合は、ギガヘルツ領域を利用する場合とは異なり、ミラーやレンズ等を使用した光学的な手法により、電磁波を検出器に容易に導くことが可能となる。一方、テラヘルツ領域よりも高周波領域は、いわゆる光になるが、光を利用する場合は、周囲の光と信号の光を区別する手段を備える必要があり、装置が複雑になるため光のようなテラヘルツ領域より高周波となる電磁波を利用するよりも、テラヘルツ領域の電磁波を利用することが好ましい。
制御・解析装置８は、前記検出・変換装置４の変換手段にて変換した電圧信号から、パルス電磁波１０の振幅強度（電圧値）の時系列波形を生成したり、当該生成された時系列波形を用いて所定の解析を行う装置である。また、本実施例では、制御・解析装置８は、本明細書中に説明する制御や解析の実行を可能とする画像表示部を有するコンピュータであり、図示せぬ制御信号線を介して、照射装置（光学系）、走査台７、検出・変換装置４、及び、パルスレーザー光源２の制御も併せて行うものである。また、制御・解析装置８は、前記パルス電磁波１０の振幅強度の時系列波形やこれらを用いた解析結果をマップや画像として表示すること（イメージング）ができる装置である。
なお、前記所定の解析としては、パルス電磁波１０の振幅強度の時系列波形に基づく画像処理、及び所定のフーリエ変換等の演算処理も含む。
また、制御・解析装置８は、物性情報取得手段を有する。物性情報取得手段は、前記半導体ウェハ５に帰属する時系列波形と、予め参照データとして準備した前記半導体ウェハ５を構成する各単層構造体に帰属する時系列波形を比較することで、前記半導体ウェハ５の各層の電子物性情報又は各層間界面の電子物性情報を取得する手段である。
すなわち、制御・解析装置８は、半導体ウェハ５に帰属する時系列波形と、半導体ウェハ５の各単層構造体に帰属する時系列波形を比較することで、前記半導体ウェハ５の各層の電子物性情報又は各層間界面の電子物性情報として、例えば、キャリア寿命、電子移動度、層間電界分布、及び結晶方向に関する情報を含む信号を得る手段である。また、制御・解析装置８は、当該電子物性情報に基づいて半導体ウェハ５の良否を判定する手段である。
制御・解析装置８は、前記半導体ウェハ５の時系列波形の周波数成分と、予め参照データとして準備した前記半導体ウェハ５を構成する各単層構造体の時系列波形の周波数成分を算出する算出手段をさらに有する。これにより、前記物性情報取得手段は、前記半導体ウェハ５による時系列波形の周波数成分と、前記参照データとして取得した前記半導体ウェハ５を構成する各単層構造体による時系列波形の周波数成分と比較することで、前記半導体ウェハ５の各層の電子物性情報又は各層間界面の電子物性情報を取得することができる。すなわち、制御・解析装置８は、前記半導体ウェハ５による時系列波形をフーリエ変換して半導体ウェハ５に帰属する周波数成分を算出し、かつ予め参照データとして準備した半導体ウェハ５を構成する単層構造体による時系列波形をフーリエ変換して周波数成分を算出し、各周波数成分を比較することができる。
制御・解析装置８は、前記パルスレーザー光９の偏光方向を任意の角度に回転させる機構をさらに有する。前記半導体ウェハ５に前記パルスレーザー光９を照射し、かつ前記機構により任意の２つの角度に設定した時に得られる前記半導体ウェハ５による２つの前記時系列波形を比較することで、前記半導体ウェハ５の各層の結晶方向に関する情報を取得することができる。
制御・解析装置８は、前記パルスレーザー光９の中心波長を変化させる波長変化手段をさらに有する。前記波長変化手段により少なくとも２つの波長になるように設定された前記パルスレーザー光９を前記半導体ウェハ５に照射し、当該パルスレーザー光照射位置から得られる前記積層構造体による２つの時系列波形を比較することで、前記半導体ウェハ５の各層の深さ方向に関する情報を取得することができる。例えば、Ｓｉ系材料からなる半導体ウェハの場合は、１μｍ（１０００ｎｍ）より長波長側及び１μｍより短波長側になるように中心波長に変化させるとよい。
そして、制御・解析装置８は、パルスレーザー光源２により、前記半導体ウェハ５にパルスレーザー光９を照射させる。このパルスレーザー光９の照射によって生じるパルス電磁波１０が検出・変換装置４によって検出され、制御・解析装置８では、その検出結果を取り込んで、パルス電磁波１０の振幅強度が検出される。
そして、制御・解析装置８は、半導体ウェハ５についてのパルス電磁波１０の検出を継続しつつ、前記走査台７を制御して、半導体ウェハ５を移動させながらパルスレーザー光９の照射を行う。このように、半導体非破壊検査装置１においては、前記パルスレーザー光９を２次元的に走査して照射する手段（走査台７、パルスレーザー光源２）を備え、前記パルスレーザー光９を２次元的に走査して照射する手段（走査台７、パルスレーザー光源２）によって、前記パルスレーザー光９を連続的に前記半導体ウェハ５に対して照射し、前記照射によって発生されるパルス電磁波１０の振幅強度を、連続して、計測することが可能である。
なお、本実施例における半導体非破壊検査装置１は、前記パルスレーザー光９を２次元的に走査して照射する手段（走査台７、パルスレーザー光源２）を備えているが、計測を行う際に必ず走査を行う必要はなく、計測環境に応じて走査の要不要を判断し適宜使用すればよい。
そして、制御・解析装置８は、前記パルス電磁波１０の振幅強度の時間波形に対応した時間的に変化する電圧信号（時系列波形）を取得し、当該時系列波形を解析して前記半導体ウェハ５中の各層の電子物性情報や各層間界面の電子物性情報を取得する手段として機能するものであり、当該時系列波形を解析することで、電子物性情報として、例えば、キャリア寿命、移動度、層間電界分布、結晶方向に関する情報を含む信号が得られる。
以上の装置構成及び原理によって、検査対象である半導体ウェハ５の検査が行われる。
次に、以上のように構成された半導体非破壊検査装置１を用いて、半導体非破壊検査方法を説明する。
本実施形態に係る半導体非破壊検査方法は、半導体ウェハ５に対して所定の波長を有するパルスレーザー光９を照射し、当該パルスレーザー光９照射位置から放射されるパルス電磁波１０により前記半導体ウェハ５を非破壊で検査する半導体非破壊検査方法であって、図６に示すフローに従って進行するものであり、レーザー光分割工程Ｓ１０と、入射工程Ｓ２０と、プローブ光照射工程Ｓ３０と、時系列波形生成工程Ｓ４０と、物性情報取得工程Ｓ５０と、を有する。以下、各工程について、具体的に説明する。
検査対象である半導体ウェハ５を非破壊検査する際に、先ず、図１に示すごとく、半導体ウェハ５を走査台７上の規定の位置にセットした後、前記制御・解析装置８の制御によって、パルスレーザー光９の照射位置と、半導体ウェハ５の所定位置（スタート位置）が一致するように制御し、走査台７上において、半導体ウェハ５を２次元に走査するために移動する（走査工程）。そうして、パルスレーザー光源２からパルスレーザー光９が照射される。
レーザー光分割工程Ｓ１０は、前記パルスレーザー光９をプローブ光Ｌ１とポンプ光Ｌ２とに２分割する工程である。
すなわち、レーザー光分割工程Ｓ１０では、図１において、パルスレーザー光源２から出力されたパルスレーザー光９を、ビームスプリッタ１４（本実施形態においては、ハーフミラー）によって二つのパルスレーザー光９であるプローブ光Ｌ１とポンプ光Ｌ２に分割する。
入射工程Ｓ２０は、前記ポンプ光Ｌ２を前記半導体ウェハ５に照射し、前記半導体ウェハ５から放射されるパルス電磁波１０を集光して、ひとつの前記検出手段である検出素子１９に入射させる工程である。
すなわち、入射工程Ｓ２０では、ビームスプリッタ１４により分けられたパルスレーザー光９の一方であるポンプ光Ｌ２を鏡２９、光チョッパー１６及び鏡３０を通過させて、当該光チョッパー１６を通過したポンプ光Ｌ２は前記半導体ウェハ５に照射される。そうして、ポンプ光Ｌ２照射位置から放射されるパルス電磁波１０をポンプ光集光手段１８である軸外し放物面鏡により、検出素子１９の一端へ集光し、検出素子１９によりポンプ光Ｌ２の照射により発生したパルス電磁波１０の振幅強度が検出される。
プローブ光照射工程Ｓ３０は、前記プローブ光Ｌ１を、前記時間遅延手段１５を通過させ、前記ポンプ光Ｌ２により発生した前記パルス電磁波１０の入射と同期させて前記検出素子１９に照射する工程である。すなわち、プローブ光照射工程Ｓ３０は、前記プローブ光Ｌ１を、所定の周期にて時間遅延させながら、前記ポンプ光Ｌ２により放射された前記パルス電磁波１０の入射と同期させて前記検出素子１９に照射する工程である。
具体的には、プローブ光照射工程Ｓ３０では、分割された一方のパルスレーザー光であるプローブ光Ｌ１が時間遅延手段１５、鏡３１、鏡３４、及びレンズ３５を介して検出素子１９の他端に照射される。この際、プローブ光Ｌ１は前記半導体ウェハ５から発生するパルス電磁波１０が前記検出素子１９に入射するのに同期して照射される。
時系列波形生成工程Ｓ４０は、前記プローブ光Ｌ１の照射時に前記検出素子１９に入射した前記ポンプ光Ｌ２によるパルス電磁波１０の振幅強度を検出することで、前記半導体ウェハ５における遅延時間の異なる複数の前記パルス電磁波１０の振幅強度を取得して、前記半導体ウェハ５におけるパルス電磁波１０の時系列波形を生成する工程である。すなわち、時系列波形生成工程Ｓ４０は、前記プローブ光Ｌ１と同期した遅延時間の異なる複数の前記パルス電磁波１０の振幅強度を取得して、半導体ウェハ５におけるパルス電磁波１０の時系列波形を生成する工程である。
具体的には、時系列波形生成工程Ｓ４０では、ビームスプリッタ１４により分けられたプローブ光Ｌ１が検出素子１９に至る光路の途中にて時間遅延手段１５を通過した際に、当該時間遅延手段１５内においては、所定方向（本実施例ではプローブ光Ｌ１と平行方向）に可動自在に配置された可動鏡１５ａによりプローブ光Ｌ１が入射及び反射される。また、制御・解析装置８が当該可動鏡１５ａを所定方向に所定の周波数にて周期的に往復可動させることでプローブ光Ｌ１が検出素子１９に到達する時間を光学的に時間遅延する。こうして、制御・解析装置８は、時間遅延手段１５によりプローブ光Ｌ１が検出素子１９へ到達する時間を周期的に変化させながら、検出素子１９にプローブ光Ｌ１が入射する時間を遅延することで、プローブ光Ｌ１入射時のパルス電磁波１０の振幅強度を所定の時系列で取得することが可能となる（図７（ａ）参照）。
また、制御・解析装置８では、検出されるパルス電磁波１０の振幅強度に基づいて振幅強度の時系列波形の生成が行われるが、その工程としては、まず、検出素子１９に半導体ウェハ５におけるポンプ光Ｌ２照射位置から発生したパルス電磁波１０が検出素子１９に集光され、当該パルス電磁波１０の入射と同期させて、プローブ光Ｌ１を検出素子１９の所定位置に照射すると、当該プローブ光Ｌ１の照射時に入射したパルス電磁波１０の電界強度（振幅強度）に比例した電流が発生する。当該電流は、電流アンプ２７により電圧に変換後、ロックインアンプ２８にて、光チョッパー１６のチョッピングと同期してロックイン検出が行われる。そして、当該ロックイン検出の値は制御・解析装置（コンピュータ）８に入力される。つまり、プローブ光Ｌ１が検出素子１９に照射した時に入射したパルス電磁波１０の振幅強度を検出することが可能である。
前記検出素子１９に入射するパルス電磁波１０の波形が図７（ｂ）に示すようなものであった場合、プローブ光Ｌ１が検出素子１９へ到達するまでの時間である時間遅延Δτを、時間遅延手段１５の可動鏡１５ａを周期的に移動させて変更し、遅延時間の異なる複数のプローブ光Ｌ１を検出素子１９に入射させる。すなわち、図７（ａ）に示すように、プローブ光Ｌ１の入射する時間を遅延させ、各時間遅延（Δτ＝ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６）におけるパルス電磁波１０の振幅強度を取得する。その結果、図７（ｂ）の複数の○印で示すような離散信号列が得られる。図７（ｂ）の横軸は、時間遅延Δτを示す。この遅延時間の異なる複数のプローブ光Ｌ１に応じてパルス電磁波１０を検出することで、パルス電磁波１０の各時系列波形を取得することができる。
物性情報取得工程Ｓ５０は、前記半導体ウェハ５に帰属する時系列波形と、予め参照データとして準備した前記半導体ウェハ５を構成する各単層構造体に帰属する時系列波形を比較することで、前記半導体ウェハ５の各層の電子物性情報又は各層間界面の電子物性情報を取得する工程である。
すなわち、物性情報取得工程Ｓ５０では、制御・解析装置８が半導体ウェハ５に帰属する時系列波形と、半導体ウェハ５の各単層構造体に帰属する時系列波形を比較することで、前記半導体ウェハ５の各層の電子物性情報又は各層間界面の電子物性情報として、例えば、キャリア寿命、電子移動度、層間電界分布、及び結晶方向に関する情報を含む信号を得る工程である。以下に、半導体非破壊検査装置１を用いて所定の半導体ウェハを検査した結果を示す。
［半導体ウェハの検査結果］
図８に示すように、ＳｉＧｅ層のＧｅ濃度の異なるもの（Ｇｅ組成：３％、７％、９％、０％）を検査対象の半導体ウェハとして作製した。またＧｅ組成が０％である試料（試料名Ｋ−６−９１、図９、図１０ではＨｏｍｏｅｐｉと記載している試料）は、ＳｉＧｅ層が形成されていないＳｉ層とｐ−Ｓｉ基板とからなるものである。これら各試料を上述した半導体非破壊検査装置１により検査した結果が図９及び図１０である。
なお、上記ＳｉＧｅ層が形成されていないＳｉ層とｐ−Ｓｉ基板とからなる試料は、ｐ−Ｓｉ基板上に１層のＳｉ層のみ形成された１層構造体であり、本明細書ではこれを単層構造体と呼ぶ。
図９は、ＳｉＧｅ層のＧｅ組成の異なる試料の時系列波形を比較したものであり、横軸が時間（ｐｓ）で縦軸が振幅強度（ｍＶ）である。図９において、上から順にＧｅ組成９％、７％、３％、ＳｉＧｅ層なし（図９中のＨｏｍｏｅｐｉ）の時系列波形を並べている。まず、Ｇｅの含有の有無によって時系列波形が大きく異なることがわかる。すなわち、ＳｉＧｅ層を有する試料（Ｇｅ組成：９％、７％、３％）と、ＳｉＧｅ層を有しないＳｉ層のみからなる試料を有するものとでは時系列波形が大きく異なっている。そして、Ｇｅ組成の違いによっても波形パターンが異なることが確認できる。
図１０は、図９の各試料の時系列波形に基づいて周波数成分を算出し、各試料の周波数成分を規格化して比較したものであり、横軸が周波数（ＴＨｚ）で縦軸が規格化した振幅強度である。この場合も、それぞれの時系列波形が異なっていることが確認できる。
図１１は、ＳｉＧｅ層のＧｅ組成が７％の試料について、２次元で振幅強度を画像表示した、半導体ウェハ中央部近傍の画像データと半導体ウェハ端部付近の画像データである。半導体ウェハ中央部近傍では、パルス電磁波の振幅強度が均一である。それに対して、半導体ウェハ端部付近のパルス電磁波の振幅強度（ＴＨｚ放射強度）の不均一分布が観測できた。
図１２は、半導体ウェハ端部付近のパルス電磁波の振幅強度（ＴＨｚ放射強度）をさらに詳しく検証した結果である。図１２（ａ）の下側の図は図１１で示した半導体ウェハ中央部近傍における振幅強度の２次元画像データである。図１２（ａ）の上側の図は半導体ウェハ端部付近の上部横において、その断面の振幅強度（ｍＶ）を示したものである。図１２（ｂ）はラマン測定によりＳｉＧｅ層の歪測定を行った結果である。図１２（ｂ）のラマン測定ではＳｉＧｅ層の横方向の各位置における歪はほぼ均一であるのに対し、これに対応する図１２（ａ）上側の図で示すＳｉＧｅ層の横方向の各位置における振幅強度では、横方向の各位置により振幅強度が大きく異なっている（右側に大きな振幅強度のピークが存在する）。これより、本発明の半導体非破壊検査装置１を用いれば、ラマンによる歪測定とは異なるＳｉＧｅ物性を計測することができる。また、図１２（ａ）下側の図で示す振幅強度の２次元画像データの白線で囲む部分は、ＳｉＧｅ層が剥離した部分であり、振幅強度の差としてはっきりと確認できた。
以上により、本発明によれば、半導体ウェハや半導体デバイス等の半導体層を含む積層構造体において、非破壊非接触で当該積層構造体の各層の電子物性情報や各層間界面の電子物性情報を含む信号を取得することができる。
本発明は、例えば、半導体ウェハ検査装置、ＬＳＩ検査装置などの半導体検査分野、固体材料検査装置、有機材料検査装置などの材料検査評価分野、及び物性物理研究分野において利用可能である。
１ 半導体非破壊検査装置
４ 検出・変換装置
５ 半導体ウェハ
８ 制御・解析装置
９ パルスレーザー光
１０ パルス電磁波
１４ ビームスプリッタ
１５ 時間遅延手段
１９ 検出素子
２７ 電流アンプ
２８ ロックインアンプ

Claims (6)

  1. 半導体層を含む積層構造体に対して所定の波長を有するパルスレーザー光を照射し、当該パルスレーザー光照射位置から放射される電磁波により前記積層構造体を非破壊で検査する半導体非破壊検査装置であって、
    前記パルスレーザー光をプローブ光とポンプ光とに２分割するレーザー光分割手段と、
    前記積層構造体に前記ポンプ光を照射することで、当該ポンプ光照射位置から前記電磁波を放射させる手段と、
    前記ポンプ光照射位置から放射される前記電磁波が入射され、当該入射された電磁波の振幅強度に応じた電流を発生させる検出素子と、
    前記検出素子に接続され、前記検出素子で発生した電流を電圧に変換する電流アンプと、
    前記電流アンプに接続され、前記電流アンプで変換された電圧を前記電磁波の振幅強度の時間波形に対応した時間的に変化する電圧信号に変換するロックインアンプと、
    前記プローブ光の光路に配置され、前記検出素子に前記電磁波が入射する時間を周期的に遅延可能である時間遅延手段と、
    前記時間的に変化する電圧信号と、予め参照データとして準備した前記積層構造体を構成する各単層構造体の時間的に変化する電圧信号を比較することで、前記積層構造体の各層の電子物性情報又は各層間界面の電子物性情報を取得する物性情報取得手段と、
    を有し、
    前記電磁波の振幅強度は、
    前記積層構造体の各層間界面に形成される空乏層にそれぞれ対応して前記各層間界面近傍に形成される局所電界の向き及び大きさに応じて比例するとともに、前記各層間界面近傍からそれぞれ放射される電磁波の振幅強度が合算されたものであり、
    前記局所電界の向き及び大きさは、前記積層構造体の各層の物性状態や該各層間の界面の物性状態によって変化し、
    組成の異なる前記積層構造体を検査する際に、各積層構造体の前記時間的に変化する電圧信号の波形パターンを比較する、
    ことを特徴とする半導体非破壊検査装置。
  2. 前記積層構造体の前記時間的に変化する電圧信号の周波数成分と、予め参照データとして準備した前記積層構造体を構成する各単層構造体の時間的に変化する電圧信号の周波数成分を算出する算出手段をさらに有し、
    前記物性情報取得手段は、前記積層構造体の前記時間的に変化する電圧信号の周波数成分と、前記各単層構造体の時間的に変化する電圧信号の周波数成分を比較することで、前記積層構造体の各層の電子物性情報又は各層間界面の電子物性情報を取得する
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体非破壊検査装置。
  3. 前記パルスレーザー光の中心波長を変化させる波長変化手段をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体非破壊検査装置。
  4. 前記積層構造体に前記ポンプ光を照射して、２次元的に走査する走査手段をさらに有することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の半導体非破壊検査装置。
  5. 前記パルスレーザー光の偏光方向を任意の角度に回転させる機構をさらに有することを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の半導体非破壊検査装置。
  6. 請求項１記載の半導体非破壊検査装置を用いて、半導体層を含む積層構造体に対して所定の波長を有するパルスレーザー光を照射し、当該パルスレーザー光照射位置から放射される電磁波により前記積層構造体を非破壊で検査する半導体非破壊検査方法であって、
    前記パルスレーザー光をプローブ光とポンプ光とに２分割する分割工程と、
    前記ポンプ光を前記積層構造体に照射し、前記積層構造体から放射される電磁波を集光して、前記検出素子に入射させる入射工程と、
    前記プローブ光を、所定の周期にて時間遅延させながら、前記ポンプ光により放射された前記パルス電磁波の入射と同期させて前記検出素子に照射するプローブ光照射工程と、
    前記プローブ光の照射時に前記検出素子に入射した前記ポンプ光による前記パルス電磁波の振幅強度を検出することで、前記積層構造体における遅延時間の異なる複数の前記パルス電磁波の振幅強度を取得して、前記積層構造体における前記パルス電磁波の時系列波形を生成する時系列波形生成工程と、
    前記積層構造体に帰属する時系列波形と、予め参照データとして準備した前記積層構造体を構成する各単層構造体に帰属する時系列波形を比較することで、前記積層構造体の各層の電子物性情報又は各層間界面の電子物性情報を取得する工程と、を有する
    ことを特徴とする半導体非破壊検査方法。
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