JP6395213B2 - 改質処理装置および改質処理方法 - Google Patents

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Description

この発明は、半導体基板の膜を改質する処理に関し、特に、改質状況を検査する技術に関する。
半導体装置を製造する際、半導体基板の表面に光を照射することによって、その膜質を改質する膜質処理が行われている（例えば、特許文献１〜３）。
特許文献１では、シリコン基板にパルス幅が１０〜１０００フェムト秒のパルスレーザを照射して、不純物を活性化させることが記載されている。
特許文献２では、フェムト秒レーザなどの超短パルスレーザを用いて、ＧａＮ基板の表面改質を行うことが記載されている。より具体的には、パルスレーザを照射することによって、凹凸構造の形成、アモルファス領域または歪領域の形成および歪を緩和することが記載されている。
特許文献３では、ワイドギャップ半導体において不純物がイオン注入された領域をレーザーアニールによって加熱して、不純物を活性化させることが記載されている。
特開２０１１−０１４９１４号公報 特開２００８−００４６９４号公報 特開２０１４−０７８６６０号公報
しかしながら、従来は、改質処理を好適な条件で行うため、改質処理および改質状況の検査を交互に繰り返し行い、光照射の条件設定を行う必要があった。このため、光の照射条件を最適化するためには、煩雑な作業を要しており、フィードバックに時間がかかっていた。
そこで、本発明は、半導体基板における膜の改質状況の検査を容易にする技術を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、第１の態様は、半導体基板に光を照射することによって、膜を改質する改質処理装置であって、半導体基板に膜を改質する光を照射する光照射部と、前記光の照射に応じて、前記半導体基板から放射されるミリ波またはテラヘルツ波を含む電磁波の強度を検出する電磁波検出部と、前記電磁波検出部によって検出される前記電磁波の強度の、前記光の照射で進行する前記膜の改質によって生じる変化に基づき、前記半導体基板の膜の改質状況を判定する改質判定部と、を備える。
また、第２の態様は、第１の態様に係る改質処理装置であって、前記改質判定部は、アニール処理が完了したとされる電磁波の強度の閾値と、前記電磁波検出部によって検出される電磁波の強度とを比較して前記半導体基板の改質を判定する。
また、第３の態様は、第１または第２の態様に係る改質処理装置であって、前記光照射部からの前記光の照射によって、前記半導体基板の表面から放射されるフォトルミネッセンス光を検出するＰＬ光検出部、をさらに備え、前記改質判定部は、前記電磁波検出部によって検出される電磁波の強度、および、前記ＰＬ検出部によって検出される前記フォトルミネッセンス光に基づいて、前記半導体基板の改質を判定する。
また、第４の態様は、第１から第３の態様のいずれか１態様に係る改質処理装置であって、前記改質判定部の判定結果に基づき、前記半導体基板の膜を改質する光の照射を制御する照射制御部をさらに備える。
また、第５の態様は、第１から第４の態様のいずれか１態様に係る改質処理装置であって、前記光照射部が出射する光が、前記半導体基板の膜を改質し、かつ、前記半導体基板において電磁波を発生させるパルス光である。
また、第６の態様は、半導体基板に光を照射することによって、膜を改質する改質処理方法であって、（ａ）半導体基板に膜を改質する光を照射する工程と、（ｂ）前記（ａ）工程の際、前記光の照射に応じて前記半導体基板から放射されるミリ波またはテラヘルツ波を含む電磁波の強度を検出する工程と、（ｃ）前記（ｂ）工程の際、検出される前記電磁波の強度の、前記光の照射で進行する前記膜の改質によって生じる変化に基づき、前記半導体基板の膜の改質状況を判定する改質判定工程とを含む。
また、第７の態様は、第６の態様に係る改質処理方法であって、前記（ｃ）工程の際、アニール処理が完了したとされる電磁波の強度の閾値と、前記電磁波検出部によって検出される電磁波の強度とを比較して前記半導体基板の改質を判定する。
第１の態様に係る改質処理装置によると、光キャリアの発生、消失および移動によって発生するミリ波またはテラヘルツ波を検出することで、改質による半導体基板の物性変化を検出できる。したがって、改質処理を行いつつ、半導体基板における膜の改質状況を容易に検査できる。
また、第１の態様に係る改質処理装置によると、改質状況を判定することによって、改質状況を容易に検査できる。
また、第３の態様に係る改質処理装置によると、フォトルミネッセンス光を検出することによって、改質状況をより詳細に検査できる。
また、第４の態様に係る改質処理装置によると、改質状況に応じて、改質のための光の照射を好適に制御できる。
また、第５の態様に係る改質処理装置によると、膜の改質および電磁波の発生を、同一のパルス光によって起こすことができるため、装置構成を簡略化できる。
第１実施形態に係る改質処理装置の概略構成図である。 半導体基板に形成されるＳｉＣショットキーバリアダイオードを示す概略断面図である。 ＳｉＣショットキーバリアダイオードを示す概略平面図である。 第１実施形態に係る光照射部および電磁波検出部の概略構成図である。 半導体基板のバンド構造を示す模式図である。 電磁波パルスの時間波形の一例を示す図である。 電磁波パルスのスペクトル分布の一例を示す図である。 第１実施形態に係る改質処理装置による改質処理を説明するための流れ図である。 第２実施形態に係る改質処理装置を示す概略構成図である。 第３実施形態に係る改質処理装置を示す概略構成図である。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、この実施形態に記載されている構成要素はあくまでも例示であり、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。また、図面においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数が誇張または簡略化して図示されている場合がある。
＜１． 第１実施形態＞
＜１．１． 改質処理装置１の構成＞
図１は、第１実施形態に係る改質処理装置１の概略構成図である。改質処理装置１は、半導体を含む半導体基板９における膜を改質する装置である。
本願でいう半導体とは、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）ならびにヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）等の化合物半導体、窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）など、Ｓｉよりもバンドギャップが大きいワイドギャップ半導体を含む。本実施形態では、半導体基板９にＳｉＣショットキーバリアダイオードが形成された、あるいは、形成されるものとして説明する。
図２は、半導体基板９に形成されるＳｉＣショットキーバリアダイオード９１を示す概略断面図である。図３は、ＳｉＣショットキーバリアダイオード９１を示す概略平面図である。ＳｉＣショットキーバリアダイオード９１は、低抵抗のｎ型不純物、例えばＮ（窒素）やＰ（リン）などを含むｎ型の半導体基板９２の上に、耐圧を保持するための耐圧層としてｎ型のＳｉＣのドリフト層９３がエピタキシャル成長層として配設されている。
ドリフト層９３の上層部には、ｐ型不純物、例えばＢ（ホウ酸）やＡｌ（アルミニウム）などをドーピングすることによって、ｐ型領域９４が形成されている。ｐ型領域９４は、ドリフト層９３の上方からｐ型不純物をイオン注入された後、活性化のための熱処理（アニール処理）工程が行われることによって形成される。改質処理装置１は、上述したｐ型領域９４を形成するためのアニール処理を実行可能に構成されている。
ドリフト層９３の上方には、アノード電極９５が配設されている。また、半導体基板９２の下方には、カソード電極９６が配設されている。アノード電極９５は、ドリフト層９３に対してショットキー電極となっている。ｐ型領域９４は、アノード電極９５の周端部の位置に設けられており、アノード電極９５の周端部付近で電界が集中することを防ぐ目的で設けられるガードリング領域である。ドリフト層９３の表面部における、ｐ型領域９４が形成されない領域は、ショットキーバリアダイオードとして機能する。
図１に戻って、改質処理装置１は、ステージ１１、光照射部１２、電磁波検出部１３、フォトルミネッセンス光（以下、「ＰＬ光」と表記する。）検出部１４、ステージ移動機構１５、制御部１６、モニター１７および操作入力部１８を備えている。
ステージ１１は、所要の固定手段によって、半導体基板９を該ステージ１１の上に保持する。固定手段としては、半導体基板９を挟持する挟持具を利用するもの、半導体基板９を貼り付けて固定する粘着性シート、または、半導体基板９を吸着固定する吸着孔などが想定される。もちろん、半導体基板９が固定可能であれば、これら以外の固定手段が採用されてもよい。
図４は、第１実施形態に係る光照射部１２および電磁波検出部１３の概略構成図である。光照射部１２は、パルスレーザ１２１を備えている。パルスレーザ１２１は、好ましくはパルス幅が１フェムト秒〜１０ピコ秒のレーザ光（パルス光ＬＰ１）を出射する。
パルスレーザ１２１から出射されたパルス光ＬＰ１は、ビームスプリッタＢ１により２つに分割される。分割された一方のパルス光（パルス光ＬＰ１１）は、レンズなどの光学系を介して、半導体基板９に照射される。これによって、アニール処理が行われる。
図１または図４に示す例では、パルス光ＬＰ１１の光軸が半導体基板９の主面に対して斜めに入射するように、該パルス光ＬＰ１１が半導体基板９に対して照射されている。より詳細には、入射角度が４５度となるように照射角度が設定されている。ただし、パルス光ＬＰ１１の入射角度はこのような角度に限定されるものではなく、０度から９０度の範囲内で適宜変更することができる。また、パルス光ＬＰ１１は、必ずしも半導体基板９の表面に照射する必要はなく、半導体基板９の側面または裏面に照射してもよい。
図２または図３に示すように、アニール処理を目的として、ｐ型領域９４にＳｉＣショットキーバリアダイオード９１の表面にパルス光ＬＰ１１が照射されると、電磁波パルスＬＴ１が発生する。ＳｉＣショットキーバリアダイオード９１のｐ型領域９４の部分にパルス光ＬＰ１１が照射されることによって、光キャリア（自由電子、正孔）が発生すると、ｐｎ接合部の空乏層やショットキー接合などに存在する内部電界によって加速され、瞬間的に光電流の発生および消滅が起こる。マクスウェルの方程式によると、電流に変化が生じたとき、その電流の時間微分に比例した強度の電磁波が発生する。ｐ型領域９４から発生する電磁波パルスＬＴ１は、ミリ波（３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）またはテラヘルツ波（０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚ）を含む。発生した電磁波パルスＬＴ１は、後に詳述する電磁波検出部１３によって検出される。
ビームスプリッタＢ１によって分割された他方のパルス光は、検出用パルス光ＬＰ１２として、遅延部１３１およびミラーなどを経由して、検出器１３２に入射する。また、パルス光ＬＰ１１の照射に応じて発生した電磁波パルスＬＴ１は、放物面鏡（図示せず。）において集光されてミラーなどを経由して検出器１３２に入射する。
検出器１３２は、電磁波検出素子として、例えば、光伝導スイッチを備えている。仮に、電磁波パルスＬＴ１が検出器１３２に入射する瞬間に、検出用パルス光ＬＰ１２が検出器１３２に入射したとする。すると、この光伝導スイッチに瞬間的に電磁波パルスＬＴ１の電界強度に応じた電流が発生する。この電界強度に応じた電流は、Ｉ／Ｖ変換回路、Ａ／Ｄ変換回路などを介してデジタル量に変換される。このように、電磁波検出部１３は、検出用パルス光ＬＰ１２の照射に応じて、半導体基板９で発生した電磁波パルスＬＴ１の電界強度を検出する。なお、検出器１３２に、その他の素子、例えば非線形光学結晶を適用したものを採用してもよい。
遅延部１３１は、遅延ステージ１３１ａおよび遅延ステージ移動機構１３１ｂを備えている。遅延部１３１は、ビームスプリッタＢ１から検出器１３２までの検出用パルス光ＬＰ１２の到達時間を連続的に変更するための光学素子である。遅延ステージ１３１ａは、遅延ステージ移動機構１３１ｂによって、検出用パルス光ＬＰ１２の入射方向に沿って直線移動する。また、遅延ステージ１３１ａは、検出用パルス光ＬＰ１２を入射方向に折り返させる折り返しミラー１０Ｍを備えている。
より詳細には、遅延ステージ１３１ａは、制御部１６の制御に基づいて遅延ステージ移動機構１３１ｂを駆動する。すると、遅延ステージ１３１ａが検出用パルス光ＬＰ１２の入射方向に沿って直線移動し、折り返しミラー１０Ｍもこれに伴って直線移動することとなる。これによって、検出用パルス光ＬＰ１２の光路長が精密に変更される。
遅延ステージ１３１ａは、電磁波パルスＬＴ１が電磁波検出部１３（検出器１３２）に到達する時間と、検出用パルス光ＬＰ１２が電磁波検出部１３（検出器１３２）へ到達する時間との時間差を変更する。したがって、遅延ステージ１３１ａで検出用パルス光ＬＰ１２の光路長を変化させることによって、電磁波検出部１３（検出器１３２）において電磁波パルスＬＴ１の電界強度を検出するタイミング（検出タイミングまたはサンプリングタイミング、位相）を遅延させることができる。
なお、その他の態様で検出用パルス光ＬＰ１２の検出器１３２への到達時間を変更することも考えられる。具体的には、電気光学効果を利用すればよい。すなわち、印加する電圧を変化させることで屈折率が変化する電気光学素子を、遅延素子として用いてもよい。具体的には、特開２００９−１７５１２７号公報に開示されている電気光学素子を利用することができる。
また、パルス光ＬＰ１１の光路長、もしくは、半導体基板９から放射された電磁波パルスＬＴ１の光路長を変更する遅延部を設けてもよい。この場合においても、検出器１３２に電磁波パルスＬＴ１が到達する時間を、検出器１３２に検出用パルス光ＬＰ１２が到達する時間に対して、相対的にずらすことができる。これによって、検出器１３２における電磁波パルスＬＴ１の電界強度の検出タイミングを遅延させることができる。
ＰＬ光検出部１４は、分光器１４１および光検出器１４３を備えている。光検出器１４３は、フォトダイオードで構成される。パルス光ＬＰ１１の照射によって、ＳｉＣショットキーバリアダイオード９１にて発生した光キャリアが再結合すると、ＰＬ光ＰＬ１が発生する。ＰＬ光検出部１４は、発生した該ＰＬ光ＰＬ１を検出する。
図５は、半導体基板９のバンド構造を示す模式図である。図５に示すように、アニール処理を行う際には、半導体基板９を構成する半導体（ここでは、ＳｉＣ）のエネルギーギャップである基底準位から励起準位を超えるエネルギーＥ１のパルス光ＬＰ１１が照射される。これによって、励起された光キャリアが基底準位に遷移する際に、熱およびＰＬ光ＰＬ１が発生する。このうち、発生した熱によって、ｐ型領域９４のアニール処理されることとなる。
バンドギャップエネルギーＥｇと、光の波長λ（ｎｍ）の関係式は、「λ＝ｈｃ／Ｅｇ」である。例えば、４Ｈ−ＳｉＣのバンドギャップは、３．２６ｅＶである。この半導体に吸収される波長は、３８０ｎｍ未満となる。
なお、図５中右側に示すように、不純物や欠陥によるトラップ準位を利用することによって、禁制帯を超えるエネルギーＥ１よりも小さいエネルギーＥ２である波長のパルス光ＬＰ１１を用いて、アニール処理を行うことも可能である。つまり、光のエネルギーが熱に変化されればよく、改質のためのパルス光ＬＰ１１は、必ずしもバンドギャップ以上のエネルギーの波長でなくてよい。
また、発生する熱量は、パルス光ＬＰ１の強度（光子数）に依存する。そこで、照射するパルス光ＬＰ１の強度を落とすことによって、アニールが進行しないようにしつつ、かつ、電磁波パルスＬＴ１およびＰＬ光を発生させることができる。これによって、処理半導体基板９の膜の改質状況などを、電磁波パルスＬＴ１またはＰＬ光ＰＬ１に基づいて検査することが可能である。
図１に戻って、ステージ移動機構１５は、ステージ１１を二次元平面内で移動させるＸ−Ｙテーブルを備えている。ステージ移動機構１５は、このＸ−Ｙテーブルを駆動することによって、ステージ１１に保持された半導体基板９を、光照射部１２に対して相対的に移動させる。つまり改質処理装置１は、ステージ移動機構１５を備えることによって、半導体基板９を２次元平面内で任意の位置に移動させることができる。これによって、例えば半導体基板９におけるアニール処理が必要な領域（アニール処理対象領域）をパルス光ＬＰ１１で走査できる。また、ステージ移動機構１５の駆動源を省略し、ステージ１１を人手で移動させるようにしてもよい。
ステージ移動機構１５は、走査機構の一例である。例えば、半導体基板９を移動させる代わりに、もしくは、半導体基板９を移動させると共に、光照射部１２を２次元平面内で移動させる移動手段を設けてもよい。いずれの場合においても、半導体基板９におけるアニール処理対象領域にパルス光ＬＰ１１を照射できる。また、パルス光ＬＰ１１の光路を変更することによって、検査対象領域をパルス光ＬＰ１１で走査することも考えられる。具体的には、ガルバノミラーを設けて、半導体基板９の表面に平行であって、かつ、互いに直交する二方向に、パルス光ＬＰ１１を走査することが考えられる。また、ガルバノミラーの代わりに、ポリゴンミラー、ピエゾミラーまたは音響光学素子などを用いることも考えられる。
制御部１６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよび補助記憶部（例えばハードディスク）などを備えた一般的なコンピュータとしての構成を備えている。制御部１６は、光照射部１２のパルスレーザ１２１、電磁波検出部１３の遅延ステージ１３１ａおよび検出器１３２、ＰＬ光検出部１４、並びにステージ移動機構１５に接続されており、これらの動作を制御したり、これらからデータを受け取ったりする。
より具体的には、制御部１６は、例えば検出器１３２から電磁波パルスＬＴ１の電界強度に関するデータを受け取る。また、制御部１６は、遅延ステージ１３１ａを移動させる遅延ステージ移動機構１３１ｂを制御する。さらに制御部１６は、該遅延ステージ１３１ａに設けられたリニアスケールなどから、折り返しミラー１０Ｍの移動距離などの遅延ステージ１３１ａの位置に関連するデータを受け取る。
また、制御部１６は、画像生成部２１、時間波形復元部２２、スペクトル解析部２３、分光器データ解析部２４、改質判定部２５、照射制御部２６および照射領域特定部２７を備えている。これらは、制御部１６が備えるＣＰＵがプログラムにしたがって動作することにより実現される機能であってもよいし、専用回路によってハードウェア的に構成されていてもよい。
画像生成部２１は、半導体基板９から発生した電磁波パルスＬＴ１の電界強度の分布を視覚化した、電界強度分布画像を生成する。この電界強度分布画像では、電界強度の相違が、異なる色、色の濃淡または異なる模様などで視覚的に表現される。
時間波形復元部２２は、電磁波検出部１３（検出器１３２）にて検出される電磁波パルスＬＴ１の電界強度に基づき、電磁波パルスＬＴ１の時間波形を復元する。具体的には、時間波形復元部２２は、遅延ステージ１３１ａの折り返しミラー１０Ｍを移動させることで、検出用パルス光ＬＰ１２の光路長（第１光路の光路長）を変更し、検出用パルス光ＬＰ１２が検出器１３２に到達する時間を変更する。これによって、検出器１３２において電磁波パルスＬＴ１の電界強度を検出するタイミング（位相）が変更される。時間波形復元部２２は、電磁波パルスＬＴ１の電界強度を、位相毎に検出する。検出された電界強度を、時間軸に沿ってプロットしていく。これによって、時間波形復元部２２は、電磁波パルスＬＴ１の時間波形を復元する。
スペクトル解析部２３は、復元された電磁波パルスＬＴ１のスペクトル分析を行う。詳細には、スペクトル解析部２３は、時間波形復元部２２によって復元された時間波形をフーリエ変換することによって、周波数毎の振幅強度スペクトルを取得する。
図６は、電磁波パルスＬＴ１の時間波形４１の一例を示す図である。また、図７は、電磁波パルスＬＴ１のスペクトル分布５１の一例を示す図である。図６に示すような時間波形４１をフーリエ変換することによって、図７に示すスペクトル分布５１が得られる。例えば、アニール処理前と、アニール処理後の半導体基板９のそれぞれについて、半導体基板９から発生した電磁波パルスＬＴ１のスペクトル分布を解析すれば、アニール処理による改質状況が反映された電磁波パルスＬＴ１の電界強度変化をより詳細に解析できる。
分光器データ解析部２４は、ＰＬ光検出部１４によって検出したＰＬ光ＰＬ１を解析する。具体的には、ＰＬ光検出部１４において検出されたＰＬ光ＰＬ１の波長毎の強度（波長プロファイル）を取得する。ＰＬ光ＰＬ１の波長プロファイルを取得することによって、アニール処理による改質状況を解析できる。また、アニール処理が進行すると、発生するＰＬ光ＰＬ１の強度または波長が変化する。このため、ＰＬ光ＰＬ１の強度または波長を監視することによって、膜の改質状況を適切に把握できる。
改質判定部２５は、検出器１３２によって検出される電磁波パルスＬＴ１の強度に基づき、半導体基板９の膜の改質、すなわち、アニール処理が完了したか否かを判定する。
アニール処理によって、膜が改質されると、発生する電磁波パルスＬＴ１およびＰＬ光ＰＬ１の強度が変化する。例えば、ｐ型領域９４の改質は、ｐ−ｎ接合部またはｐ−金属接合部の特性を変化させる。これによって、発生する電磁波パルスＬＴ１の強度が変化することとなる。すなわち、アニール処理を実行しながら、電磁波パルスＬＴ１の強度を監視することによって、改質状況を適切に把握することができる。
電磁波検出部１３を備えることによって、パルス光ＬＰ１１の照射による膜の改質状況を監視することができる。このため、電磁波検出部１３は、改質モニター装置と捉えることもできる。電磁波検出部１３のほか、改質判定部２５、ＰＬ光検出部１４、分光器データ解析部２４なども含めて、改質モニター装置としてもよい。
本実施形態では、改質判定部２５は、アニール処理中において、半導体基板９から発生する電磁波パルスＬＴ１の強度に基づき、アニール処理が完了したか否かを判定する。この判定方法としては、アニール処理が完了したとされる電磁波パルスＬＴ１の強度の閾値を予め定めておき、当該閾値と検出される電磁波パルスＬＴ１の強度とを比較することが考えられる。
また、改質判定部２５は、前記ＰＬ検出部によって検出されるＰＬ光ＰＬ１に基づいて、前記半導体基板の改質を判定する。より詳細には、改質判定部２５は、アニール処理中に、分光器データ解析部２４によって取得されたＰＬ光ＰＬ１の強度または波長を監視し、該ＰＬ光ＰＬ１の強度または波長が、改質後のものに変化した場合に、アニール処理が完了したと判定することが考えられる。
照射制御部２６は、改質判定部２５の判定結果に基づいて、半導体基板９に対するパルス光ＬＰ１１の照射を制御する。具体的には、例えばパルス光ＬＰ１１が照射している部分についてのアニール処理が完了したと改質判定部２５によって判定された場合、その部分へのパルス光ＬＰ１１の照射を停止させる。パルス光ＬＰ１１の照射を停止させる態様としては、パルス光ＬＰ１またはパルス光ＬＰ１１の光路上で遮光するなどして、光照射部１２からの光の出射を停止させることが考えられる。また、半導体基板９を移動させることによって、パルス光ＬＰ１１の照射位置を他の位置に変更したりすることも考えられる。このように、改質判定部２５の判定結果に基づき、パルス光ＬＰ１１の照射を停止させることによって、アニール処理を好適なタイミングで終えることができる。
なお、照射制御部２６は、パルス光ＬＰ１１の照射を完全に停止させず、例えば、単位面積あたりの光量を増減させるように制御することも考えられる。具体的には、電磁波パルスＬＴ１の強度が既定の閾値よりも強いまたは弱い場合、照射制御部２６がパルス光ＬＰ１１の単位面積あたりの光量を増加または低下させるように光照射部１２を制御してもよい。
また、照射制御部２６は、ＰＬ光ＰＬ１の強度または波長に基づいて、パルス光ＬＰ１１の照射を停止させたり、単位面積あたりの光量を増減させるように光照射部１２を制御してもよい。
照射領域特定部２７は、改質するべき膜の領域を特定する。より具体的には、半導体基板９のアニール処理を行う場合、回路図から配線部であるアノード電極９５の半導体基板９における位置を特定する。そして、そのアノード電極９５の周囲の部分を、ｐ型領域９４を形成するためにパルス光ＬＰ１１を照射する照射領域として特定する。照射制御部２６は、照射領域特定部２７によって特定された照射領域に対して、パルス光ＬＰ１１の照射を行う。
＜１．２． 改質処理の説明＞
図８は、第１実施形態に係る改質処理装置１による改質処理を説明するための流れ図である。なお、特に断らない限り、改質処理装置１の各動作は、制御部１６の制御下で行われる。
まず、半導体基板９を準備する工程が実行される（ステップＳ１）。この工程では、半導体基板９がステージ１１上に搬送され、ステージ１１に保持される。そして、適宜アライメントが行われる。
半導体基板９の準備が完了すると、パルス光ＬＰ１１を照射する照射領域が特定される（ステップＳ２）。詳細には、ＣＡＤデータなどが示す回路図から、配線部の位置を特定することによって、ｐ型領域９４を形成する位置を特定する。この特定された位置が、照射領域とされる。
照射領域の特定が完了すると、アニール処理が行われる（ステップＳ３）。詳細には、特定された照射領域がパルス光ＬＰ１１の照射位置にくるように、半導体基板９が移動する。そして、パルス光ＬＰ１１が照射されることによって、アニール処理が行われる。そして、このアニール処理が行われている最中、パルス光ＬＰ１１の照射によって半導体基板９から発生する電磁波パルスＬＴ１の検出、および、ＰＬ光ＰＬ１の検出が行われる。
上述したように、パルス光ＬＰ１１の照射は、照射制御部２６の制御に基づいて行われる。具体的には、ある特定箇所についてのアニール処理が進行すると、電磁波パルスＬＴ１の強度、および、ＰＬ光ＰＬ１の強度または波長プロファイルに基づき、改質判定部２５が改質したか否か判定する。完了したと判定されると、照射制御部２６は、パルス光ＬＰ１１の照射位置を変更したり、光照射部１２からの光の出射を停止したりすることによって、パルス光ＬＰ１１の照射を停止させる。このようにして、アニール処理が行われる。
アニール処理が完了すると、改質処理装置１は、半導体基板９を検査するために、パルス光ＬＰ１１で走査する（ステップＳ４）。このステップＳ４において、走査する範囲は任意に定められるが、例えば、ステップＳ３においてアニール処理をパルス光ＬＰ１１で、ステップＳ３においてアニール処理を行った領域について走査する。そして、発生する電磁波パルスＬＴ１の強度情報を収集する。
なお、電磁波パルス強度情報を収集する際、遅延ステージ１３１ａを固定し、ある１つの検出タイミング（位相）の電磁波パルスＬＴ１の強度を検出するようにしてもよい。また、複数の検出タイミングで電磁波パルスＬＴ１の強度を検出するようにしてもよい。複数の検出タイミングで検出する場合、同一の領域を複数回走査することとし、各走査で検出タイミングを異ならせればよい。あるいは、領域を１回走査する際に、該領域内の各地点で、遅延ステージ１３１ａを複数の既定位置に移動させて、パルス光ＬＰ１１を照射することによって、複数検出タイミングでの電磁波パルスＬＴ１を測定するようにしてもよい。
ステップＳ４の走査が完了すると、改質処理装置１は、画像の生成および表示を行う（ステップＳ５）。具体的には、ステップＳ４において収集された電磁波強度データに基づき、画像生成部２１が、電磁波強度分布画像を生成する。そして、該生成された画像が、モニター１７に表示される。
ステップＳ４およびステップＳ５のように、電磁波強度分布画像を生成、表示することによって、アニール処理後の半導体基板９の各種欠陥（不純物含有、クラック、電極形成不良など）を検査できる。なお、ステップＳ４，Ｓ５は、省略することも可能である。また、半導体基板９における、アニール処理を行った領域以外の領域を、ステップＳ４，Ｓ５において検査するようにしてもよい。
また、アニール処理の前、最中、または後の適宜のタイミングで、電磁波パルスＬＴ１の時間波形（図６参照）の復元が行われてもよい。さらに、復元された時間波形をフーリエ変換することによって、電磁波パルスＬＴ１の周波数分析が行われてもよい。
以上のように、改質処理装置１においては、アニール処理を行いながら、電磁波パルスＬＴ１が検出される。電磁波パルスＬＴ１を検出することによって、光キャリアの生成、再結合、移動、または、伝導膜の電気伝導度の変化を定量的に計測できる。したがって、これらのパラメータを監視することによって、アニール処理による半導体基板９の改質状況を適切に監視することができる。
また、改質処理装置１においては、アニール処理を行いながら、ＰＬ光ＰＬ１も検出する。ＰＬ光ＰＬ１は、励起した電子が正孔と再結合した際に発せられる光である。すなわち、ＰＬ光ＰＬ１を計測することによって、バンド間再結合またはバンド・トラップ準位間の再結合、トラップ準位間の再結合など、半導体基板９の特性を定量的に解析できる。したがって、アニール処理による半導体基板９の改質状況を適切に把握できる。
以上のように、改質処理装置１によって、電磁波パルスＬＴ１の強度、ＰＬ光ＰＬ１の強度または波長を監視できる。これによって、膜の改質状況を検査できるため、アニール処理を好適な条件で行うことができる。また、改質処理装置１では、非接触で改質状況を検査できるため、検査のために半導体基板９を外部に搬出しなくてもよい。したがって、半導体基板９が損傷するおそれが低減されるため、手軽に改質状況を検査できる。
＜２． 第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。なお、以降の説明において、既に説明した要素と同様の機能を有する要素については、同じ符号またはアルファベットを追加した符号を付して、詳細な説明を省略する場合がある。
図９は、第２実施形態に係る改質処理装置１Ａを示す概略構成図である。改質処理装置１Ａにおいては、パルス光ＬＰ１１が、放物面鏡Ｍ１に形成された孔を通過して、半導体基板９の主面に対して垂直に入射する。これによって、ｐ型領域９４を形成するためのアニール処理が局所的に行われる。パルス光ＬＰ１１の照射に応じて発生した電磁波パルスＬＴ１であって、パルス光ＬＰ１１が照射される主面側に出射した電磁波パルスＬＴ１は、放物面鏡Ｍ１，Ｍ２によって集光され、検出器１３２にて検出される。また、パルス光ＬＰ１１の照射に応じて発生したＰＬ光ＰＬ１のうち、パルス光ＬＰ１１の光軸と同軸となる方向に放射されるＰＬ光ＰＬ１が、放物面鏡Ｍ１の孔を通過し、ハーフミラーＭ３を反射して、分光器１４１に入射し、光検出器１４３にて検出される。
このような改質処理装置１Ａよっても、第１実施形態に係る改質処理装置１と同様、アニール処理の際に、電磁波パルスＬＴ１の強度、ＰＬ光ＰＬ１の強度または波長を取得できる。これによって、膜の改質状況を検査できるため、アニール処理を好適な条件で行うことができる。また、改質処理装置１Ａでは、非接触で改質状況を検査できるため、半導体基板９を外部に搬出しなくてもよい。したがって、半導体基板９が損傷するおそれが低減されるため、手軽に改質状況を検査できる。
＜３． 第３実施形態＞
図１０は、第３実施形態に係る改質処理装置１Ｂを示す概略構成図である。改質処理装置１Ｂにおいては、パルス光ＬＰ１１が、半導体基板９の主面に対して垂直に入射する。これによって、ｐ型領域９４を形成するためのアニール処理が、局所的に行われる。パルス光ＬＰ１１の照射に応じて発生した電磁波パルスＬＴ１のうち、半導体基板９の裏面側に透過する電磁波パルスＬＴ１が、放物面鏡Ｍ４，Ｍ５によって集光され、検出器１３２にて検出される。また、パルス光ＬＰ１１の照射に応じて発生したＰＬ光ＰＬ１のうち、パルス光ＬＰ１１の光軸と同軸となる方向に放射されるＰＬ光ＰＬ１が、ハーフミラーＭ３を反射し、分光器１４１に入射し、光検出器１４３によって検出される。
このような改質処理装置１Ｂによっても、第１実施形態に係る改質処理装置１と同様、アニール処理の際に、電磁波パルスＬＴ１の強度、ＰＬ光ＰＬ１の強度または波長を監視できる。これによって、膜の改質状況を検査できるため、アニール処理を好適な条件で行うことができる。また、改質処理装置１Ｂでは、非接触で改質状況を検査できるため、半導体基板９を外部に搬出しなくてもよい。したがって、半導体基板９が損傷するおそれが低減されるため、手軽に改質状況を検査できる。
＜４． 変形例＞
改質処理装置１では、アニール処理を行うため、光照射部１２が半導体基板９にパルス光ＬＰ１１を照射する。しかしながら、光照射部１２が他の種類の光を照射するようにしてもよい。
例えば、光照射部１２がフラッシュランプアニールを行うように構成されていてもよい。この場合、光照射部１２が、半導体基板９に対して、フラッシュ閃光を照射するとともに、パルス光ＬＰ１１を別途照射する。これによって、アニール処理を行いながら、電磁波パルスＬＴ１およびＰＬ光ＰＬ１を発生させることができる。
また、パルスレーザ１２１の代わりに、発振周波数がわずかに相違する２つの連続光を出射する２つの光源を利用して、電磁波を発生させることも可能である（特開２０１３−１７０８６４号公報）。具体的には、２つの連続光を、光導波路である光ファイバなどで形成されたカプラによって重ね合わせることで、差周波に対応する光ビート信号を生成する。そして、この光ビート信号を、半導体基板９に照射することによって、その光ビート信号の周波数に応じた電磁波を放射させることができる。
また、改質処理装置１が、ラマン散乱光を検出するための分光器および光検出器を備えていてもよい。ラマン散乱光は、半導体基板９の分子状態の様々な情報が含まれる。このため、アニール処理による改質状況を、ラマン散乱光を解析することによって検査することができる。
本実施形態では、半導体基板９における膜を改質する処理として、半導体製造分野におけるアニール処理を説明した。しかしながら、膜を改質する処理は、アニール処理に限定されるものではなく、他の処理も含まれる。例えば、表面にアブレーションによる凹凸構造を形成する表面処理、アモルファスを結晶化する処理なども改質処理の一種である。
また、改質処理装置１は、他の種類の半導体デバイスまたは半導体ウェハを半導体基板とすることも可能である。また、電極が形成されていない半導体基板を処理することもできる。
この発明は詳細に説明されたが、上記の説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。また、上記各実施形態及び各変形例で説明した各構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わせたり、省略したりすることができる。
１，１Ａ，１Ｂ 改質処理装置
１１ ステージ
１２ 光照射部
１２１ パルスレーザ
１３ 電磁波検出部
１３１ 遅延部
１３２ 検出器
１４ ＰＬ光検出部
１４１ 分光器
１４３ 光検出器
１５ ステージ移動機構
１６ 制御部
１７ モニター
１８ 操作入力部
２１ 画像生成部
２２ 時間波形復元部
２３ スペクトル解析部
２４ 分光器データ解析部
２５ 改質判定部
２６ 照射制御部
２７ 照射領域特定部
９ 半導体基板
９１ ＳｉＣショットキーバリアダイオード
９２ 半導体基板
９３ ドリフト層
９４ ｐ型領域
９５ アノード電極
９６ カソード電極
ＬＰ１，ＬＰ１１ パルス光
ＬＰ１２ 検出用パルス光
ＬＴ１ 電磁波パルス
ＰＬ１ ＰＬ光

Claims (7)

  1. 半導体基板に光を照射することによって、膜を改質する改質処理装置であって、
    半導体基板に膜を改質する光を照射する光照射部と、
    前記光の照射に応じて、前記半導体基板から放射されるミリ波またはテラヘルツ波を含む電磁波の強度を検出する電磁波検出部と、
    前記電磁波検出部によって検出される前記電磁波の強度の、前記光の照射で進行する前記膜の改質によって生じる変化に基づき、前記半導体基板の膜の改質状況を判定する改質判定部と、
    を備える、改質処理装置。
  2. 請求項１に記載の改質処理装置であって、
    前記改質判定部は、アニール処理が完了したとされる電磁波の強度の閾値と、前記電磁波検出部によって検出される電磁波の強度とを比較して前記半導体基板の改質を判定する、改質処理装置。
  3. 請求項１または２に記載の改質処理装置であって、
    前記光照射部からの前記光の照射によって、前記半導体基板の表面から放射されるフォトルミネッセンス光を検出するＰＬ光検出部、
    をさらに備え、
    前記改質判定部は、前記電磁波検出部によって検出される電磁波の強度、および、前記ＰＬ検出部によって検出される前記フォトルミネッセンス光に基づいて、前記半導体基板の改質を判定する、改質処理装置。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の改質処理装置であって、
    前記改質判定部の判定結果に基づき、前記半導体基板の膜を改質する光の照射を制御する照射制御部、
    をさらに備える、改質処理装置。
  5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の改質処理装置であって、
    前記光照射部が出射する光が、前記半導体基板の膜を改質し、かつ、前記半導体基板において電磁波を発生させるパルス光である、改質処理装置。
  6. 半導体基板に光を照射することによって、膜を改質する改質処理方法であって、
    （ａ）半導体基板に膜を改質する光を照射する工程と、
    （ｂ）前記（ａ）工程の際、前記光の照射に応じて前記半導体基板から放射されるミリ波またはテラヘルツ波を含む電磁波の強度を検出する工程と、
    （ｃ）前記（ｂ）工程の際、検出される前記電磁波の強度の、前記光の照射で進行する前記膜の改質によって生じる変化に基づき、前記半導体基板の膜の改質状況を判定する改質判定工程と、
    を含む、改質処理方法。
  7. 請求項６に記載の改質処理方法であって、
    前記（ｃ）工程の際、アニール処理が完了したとされる電磁波の強度の閾値と、前記電磁波検出部によって検出される電磁波の強度とを比較して前記半導体基板の改質を判定する、改質処理方法。
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