JP6473971B2 - フォトルミネッセンス測定治具及びこれを用いたフォトルミネッセンス測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、フォトルミネッセンス測定治具及びこれを用いたフォトルミネッセンス測定方法に関する。

最近では、半導体デバイスのさらなる微細化、高性能化のため、より高品質な半導体基板が求められている。そのための物理・化学分析を用いた多種多様の手法が知られており、それらの範囲や手法は極めて広い。具体例として、最も工業的に重要であるシリコン基板の評価法を挙げて説明する。

電気特性評価は、実際のデバイスに近い方法であり、感度が優れた評価法である。デバイス材料としてのシリコンウェーハの電気特性評価法としては、四探針法等が知られている。四探針法は４本の探針をシリコン基板表面に接触させて、シリコン基板表層の抵抗率を測定する方法である。しかしながら、この方法は空間分解能という点で必ずしも充分でない。たとえばシリコンウェーハのエッジ部１０ｍｍの領域を、精度よく測定することが困難である。

また最近のデバイス材料として、Ｎ型シリコンウェーハ（Ｓｉの主成分にリン（Ｐ）を加えた半導体）に、ホウ素（Ｂ）やアルミニウム（Ａｌ）などの成分を加えることで、より高度な特性のシリコン半導体が生産されている。このような多成分系シリコン結晶は四探針法の電気特性評価から各成分の不純物濃度を特定することはできない。

フォトルミネッセンス（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：以下、ＰＬともいう）評価は、レーザー光にて励起されたＰＬ発光を利用した分光分析法の一つである。これによって、高い空間分解能で試料内の、ドーパント濃度・不純物欠陥を評価することができる。従って、半導体基板の評価にＰＬ評価を利用することで、ウェーハ表面ミクロ領域の不純物濃度やデバイス活性領域の欠陥を評価することができる。

ここで、ＰＬ法による測定の原理について示す。Ｓｉ結晶に禁制帯幅よりも大きなエネルギーを照射すると、伝導体、価電子帯には、それぞれ過剰の自由電子、自由正孔が生じる。これらが各種の電子状態を経由して再結合する際に放出される光がＰＬである。シリコン結晶中の電気的に活性なホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、アルミニウム（Ａｌ）、ヒ素（Ａｓ）の不純物の濃度と、特定のＰＬスペクトル線の強度比に相関があることが知られている。

半導体ウェーハのＰＬ評価を目的として、非特許文献１（フォトルミネッセンスによるシリコン結晶中の不純物濃度測定方法）、特許文献１、２のような装置・評価法が考案されてきた。

非特許文献１では、１０Ｋ以下の超低温下におけるＰＬ測定で、上記の不純物濃度を決定できることが記載されている。また、非特許文献１には、シリコン片に応力が加わるとＰＬスペクトルが歪む・２つに分離するなどの異常が発生することが記載されている。

特許文献１はＰＬスペクトルのシフト量から半導体にかかるストレス量を評価する手法である。シリコンウェーハではスペクトルが分離することがある為に、精度の良いストレス評価は難しい。

特許文献２は半導体材料の妨害不純物の測定精度を向上する為に、焦点ぼかし平行レーザービームや、放射状に設定された２つ以上の突出部がある回転可能な試料ホルダーを使用して、縁部方向のフォトルミネセンスを測定する手法を論じている。

特開平１０−１９６９３号公報 特表２０１３−５２８８０８号公報

ＪＩＳ Ｈ ０６１５−１９９６

一般的にＰＬ測定で用いるフォトルミネッセンス測定治具は、小さく割ったサンプル片（例えば、シリコン片）を板ばねで固定している。図８に従来の板ばね式のフォトルミネッセンス測定治具の概略図を示す。図８に示すように、従来のフォトルミネッセンス測定治具２１では、まず、小さく割ったサンプル２２の測定を行う側の表面を上にしてサンプル保持台２３の上に置く。このサンプル２２を板ばね２４で固定し、板ばね２４を固定ネジ２５でサンプル保持台２３に固定する。このようにしてフォトルミネッセンス測定治具２１で固定したサンプル２２に、レーザー２６からレーザー光を照射して、ＰＬ測定を行う。

このような従来のフォトルミネッセンス測定治具による固定方法は、板ばね２４直下のサンプル２２に応力が加わり、ＰＬスペクトルが歪む・２つに分離するなどの異常が発生しやすい。

また、サンプルの裏面にシリコングリースなど塗って、接着保持台に押しつけて固着する方法がある。しかしながら、ＰＬ測定時には接着保持台・測定サンプルを液体ヘリウムにつけて冷却する必要がある。一方でサンプルを交換する時等には、液体ヘリウム温度まで冷却されているサンプルやサンプル保持台などを、装置から室温の大気中に取り出す必要がある。この時に、サンプル等に急激な温度上昇や大気に触れることによる結露が発生する。

シリコングリースなどでサンプルを固着した場合、上記のようなサンプルやフォトルミネッセンス測定治具の冷却や、サンプル交換の過程において、サンプルがフォトルミネッセンス測定治具からはがれやすくなってしまう。これによりＰＬ測定時に装置内にサンプルが落下するなどの問題が発生していた。

しかしながら、上記の非特許文献１、特許文献１、２には、これらの問題を解決するようなサンプルの具体的な固定法に関する記載はない。

本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、フォトルミネッセンス測定時に、フォトルミネッセンススペクトルを安定して高感度に測定することができ、かつ、サンプルが装置内へ落下することを防止することができるフォトルミネッセンス測定治具及びフォトルミネッセンスの測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、フォトルミネッセンス測定装置において測定対象となる短冊状のサンプルを固定するフォトルミネッセンス測定治具であって、
前記サンプルを載置するサンプル保持台と、前記サンプルの短辺側表面の外周部を押さえ込んで固定する一対の固定治具と、該固定治具を前記サンプル保持台に固定する固定ネジとを有することを特徴とするフォトルミネッセンス測定治具を提供する。

このようものであればフォトルミネッセンス測定時に、サンプル中央部の測定エリアに応力が加わらないので、フォトルミネッセンススペクトルを安定して高感度に測定することができ、さらに、サンプルが装置内へ落下することを防止することができる。

このとき、前記固定治具は、
前記固定ネジで前記サンプル保持台に固定されるＬ字型のベース部位と、該ベース部位から断面がくさび形の支え板が多数延伸する櫛部とを有し、
前記支え板が前記サンプルの短辺側表面の外周部に接触することで、前記サンプルを押さえ込んで固定するものであることが好ましい。

このようなものであれば、サンプルを多数の点で応力をかけずに支持することができる。そのため、フォトルミネッセンススペクトルの測定感度を従来に比べて向上させることがより確実にできる。さらに、フォトルミネッセンス測定時にサンプルが装置内へ落下することをより確実に防止することができる。

また本発明によれば、フォトルミネッセンスの測定方法であって、
上記本発明のフォトルミネッセンス測定治具を用いて、測定対象となる短冊状のサンプルを固定してフォトルミネッセンスを測定することを特徴とするフォトルミネッセンスの測定方法を提供する。

このようなフォトルミネッセンスの測定方法であれば、フォトルミネッセンス測定時に、サンプル中央部の測定エリアに応力が加わらないので、フォトルミネッセンススペクトルを安定して高感度に測定することができ、さらに、サンプルが装置内へ落下することを防止することができる。

本発明のフォトルミネッセンス測定治具は、フォトルミネッセンス測定時に、サンプル中央部の測定エリアに応力を加えることなく確実に固定することができるので、フォトルミネッセンススペクトルを安定して高感度かつ高精度で測定することができ、さらに、サンプルが装置内へ落下することを防止することができる。

本発明のフォトルミネッセンス測定治具の一例を示した概略図である。 フォトルミネッセンス測定治具における固定治具の部分を拡大した模式図である。 フォトルミネッセンス測定治具における固定治具の部分の断面を示した模式図である。 実施例において測定地点１、２、３、４で測定されたスペクトルを示したグラフである。 比較例において測定地点１、４で測定されたスペクトルＡを示したグラフである。 比較例において測定地点２で測定されたスペクトルＢを示したグラフである。 比較例において測定地点３で測定されたスペクトルＣを示したグラフである。 従来の板バネ式のフォトルミネッセンス測定治具を示した概略図である。

以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
上記したように、フォトルミネッセンス測定の際にサンプルを板ばねで固定すると、板ばね直下のシリコン片に応力が加わり、ＰＬスペクトルが歪む・２つに分離するなどの異常が発生しやすかった。また、板ばねを用いずに、サンプルの裏面にシリコングリースなどを塗って、接着保持台に押しつけて固着する方法の場合には、サンプルが治具からはがれやすく、これによりＰＬ測定時に装置内にサンプルが落下するなどの問題が発生していた。

そこで、本発明者はこのような問題を解決すべく鋭意検討を重ねた。その結果、サンプルの短辺側表面の外周部を押さえ込んで固定する一対の固定治具であれば、フォトルミネッセンス測定時に、サンプル中央部の測定エリアに応力が加わらないので、ＰＬスペクトルを安定して高感度に測定することができ、さらに、サンプルが装置内へ落下することを防止することができることに想到した。そして、これらを実施するための最良の形態について精査し、本発明を完成させた。

まず、本発明のフォトルミネッセンス測定治具について図１〜３を参照して説明する。
図１に示すように本発明のフォトルミネッセンス測定治具１は、サンプル２を載置するサンプル保持台３と、サンプル２の短辺側表面の外周部を押さえ込んで固定する一対の固定治具４と、該固定治具４をサンプル保持台３に固定する固定ネジ５とを有する。

測定対象となるサンプル２は短冊状のものであればよく、特に限定されない。例えば、半導体基板としてシリコン基板の場合には、ＰＷ（Ｐｏｌｉｓｈｅｄ Ｗａｆｅｒ）、エピタキシャルウェーハ又はＳＯＩウェーハ等から切断、へき開等して得られたサンプルの測定を行うことができる。

サンプル保持台３はレーザー６（励起レーザー）・検出器に対して平行に保持されており、傾斜機構はついていないものとすることができる。また、サンプル保持台３におけるサンプル２の固定は１面固定のみではなく、サンプル保持台３の裏面部でも、同じように固定治具４でサンプル２を固定してもよい。そして、例えば回転機構を設けて、サンプル保持台３の裏面部側のサンプル２の測定を行うこともできる。

サンプル保持台３は上下方向に移動可能とし、サンプル保持台３の中央部をライン状に測定可能とすることができる。

フォトルミネッセンス測定治具１は測定時に液体ヘリウムで冷却される。固定治具４はサンプル２の落下を防止するためのガイドであるので、この時にサンプルを十分に保持することができる強度と弾性が必要である。そのため、固定治具４の材質は各種金属製が好ましい。また、サンプルを交換する際に固定治具４を液体ヘリウムからの取り出しを行うと、大気と触れることによる水分の結露などが発生しやすい。この点から固定治具４は鉄など錆びやすい材質は避けて、真鍮やアルミ等を用いることが望ましい。

図２、図３に示すように、固定治具４は、固定ネジ５でサンプル保持台３に固定されるＬ字型のベース部位７と、該ベース部位７から断面がくさび形の支え板８が多数延伸する櫛部９とを有し、支え板８がサンプル２の短辺側表面の外周部に接触することで、サンプル２を押さえ込んで固定するものであることが好ましい。なお、図２は、図１において点線で囲った部分の拡大図である。

このようなものであれば、サンプル２を支え板８によって多数の点で余り応力をかけずに支持することができる。そのため、ＰＬスペクトルの測定感度を従来に比べて向上させることがより確実にできる。さらに、ＰＬ測定時にサンプルが装置内へ落下することをより確実に防止することができる。

サンプル２の短辺側表面の外周部には、支え板８の櫛状の部分のみが接触している。そして、サンプル２がずれないように、各々の支え板８は弾性変形して、サンプル２を多数の点でほとんど応力をかけずに支持することができる。このような形状であれば、サンプル中央部の測定エリアに応力が加わらない最適な形状とすることができる。

なお、固定治具４はＬ字型に限定されない。固定治具４は、サンプル２の短辺側表面の外周部を押さえ込んで固定できるものであればよく、例えば、単純なストレート形状であっても、コの字型の一対の固定治具であっても同様の効果を奏することができる。

このような本発明のフォトルミネッセンス測定治具であれば、フォトルミネッセンス測定時に、サンプル中央部の測定エリアに応力が加わらないので、ＰＬスペクトルを安定して高感度に測定することができ、さらに、サンプルが装置内へ落下することを防止することができる。

次に、上記したような本発明のフォトルミネッセンス測定治具を用いた本発明のフォトルミネッセンス測定方法について説明する。ここでは、図１に示すようなフォトルミネッセンス測定治具１を用いる場合について述べる。

まず、測定対象となる短冊状に小さく割ったサンプル２を準備する。サンプル２の測定を行う側の表面を上にして、サンプル保持台３上に載置する。そして、一対の固定治具４で、サンプル２の短辺側表面の外周を押さえ込んで固定し、固定ネジ５で固定治具４をサンプル保持台３に固定する。このようにして、本発明のフォトルミネッセンス測定治具１を用いてサンプル２を固定してフォトルミネッセンスの測定を行う。

このようなフォトルミネッセンスの測定方法であれば、フォトルミネッセンス測定時に、サンプル２中央部の測定エリアに応力が加わらないので、ＰＬスペクトルを安定して高感度かつ高精度で測定することができ、さらに、サンプル２が装置内へ落下することを防止することができる。

以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例）

以下に示すような条件で、フォトルミネッセンスの測定を行った。
・フォトルミネッセンス測定装置：Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｏｒ−Ｄ（株式会社堀場製作所製）
・測定温度：液体ヘリウム冷却（温度４Ｋ）
・測定対象：シリコンウェーハ

測定対象のシリコンウェーハとして、ＣＺ法により製造した導電型Ｎ型、直径３００ｍｍ、結晶方位＜１００＞、厚さ０．７７５ｍｍのＰＷシリコンウェーハを用意した。なお、ウェーハをＮ型にするためのドーパントとしてリン（Ｐ）を用いた。このウェーハ中のリン濃度は８×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、酸素濃度は１．３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であった。そして、このウェーハから、１０ｍｍ×７０ｍｍの短冊状のサンプルをへき開面で割り出した。

そして、図１及び図２、３に示すような本発明のフォトルミネッセンス測定治具を用いて、サンプルの固定を行った。そして、図１の矢印方向に移動して、測定地点１、２、３、４におけるＰＬ測定を行った。このとき測定されたＰＬスペクトルの結果を図４に示した。なお、ＰＬ測定時に装置内にサンプルが落下するようなことはなかった。

図４に示したように、測定地点を変えても、測定されたＰＬスペクトルは極めて一致して重なり、１本のスペクトルに見える。測定地点１、２、３、４では、波長１０７７．９５ｎｍリン（Ｐ）のＰＬスペクトルが検出された。

（比較例）
フォトルミネッセンス測定治具として、図８に示すような従来の板ばね式のフォトルミネッセンス測定治具を用いたこと以外は、実施例と同様にしてフォトルミネッセンスの測定を行った。

その結果、測定地点により、以下の３種類（スペクトルＡ、Ｂ、Ｃ）のＰＬスペクトル（波長１０７７．８ｎｍリン（Ｐ）のＰＬスペクトル）が検出された。図５、６、７はこの時のＰＬスペクトルである。

比較例における測定地点１、測定地点４では、図５に示すようなスペクトルＡが検出された。図５に示すように、波長１０７７．９５ｎｍリン（Ｐ）のＰＬスペクトルが検出された。なお、測定地点１・測定地点４のスペクトルは極めて一致して重なっている。

比較例における測定地点２では、図６に示すようなスペクトルＢが検出された。図６に示すように、リン（Ｐ）スペクトルが１０７８．０２ｎｍにシフトして歪んで検出された。スペクトルＢは、スペクトルＡに比べるとＳ／Ｎ比が劣っていた。

比較例における測定地点３では、図７に示すようなスペクトルＣが検出された。図６に示すように、リン（Ｐ）スペクトルが異常で、２つに分離して検出されなかった。

このように、比較例では、測定地点１、４においては、ＰＬスペクトルを正常に測定することができた。しかしながら測定地点２、３では、ＰＬスペクトルが歪んだり、２つに分離するなどの異常が発生した。

一方、実施例では上記したように、全ての測定地点においてＰＬスペクトルを安定して高感度に測定することができた。特に比較例のスペクトルＢ・Ｃと比べると、実施例の全ての測定地点においてＳ／Ｎ比が大幅に改善された。以上のように、実施例では、本発明によるフォトルミネッセンス測定治具を使用して、サンプルを固定することで、Ｓ／Ｎ比が高いＰＬ測定を行うことが可能となった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…フォトルミネッセンス測定治具、 ２…サンプル、 ３…サンプル保持台、
４…固定治具、 ５…固定ネジ、 ６…レーザー、 ７…ベース部位、 ８…支え板、
９…櫛部。

Claims (3)

1. フォトルミネッセンス測定装置において測定対象となる短冊状のサンプルを固定するフォトルミネッセンス測定治具であって、
   前記サンプルを載置するサンプル保持台と、前記サンプルの短辺側表面の外周部を押さえ込んで固定する一対の固定治具と、該固定治具を前記サンプル保持台に固定する固定ネジとを有することを特徴とするフォトルミネッセンス測定治具。
2. 前記固定治具は、
   前記固定ネジで前記サンプル保持台に固定されるＬ字型のベース部位と、該ベース部位から断面がくさび形の支え板が多数延伸する櫛部とを有し、
   前記支え板が前記サンプルの短辺側表面の外周部に接触することで、前記サンプルを押さえ込んで固定するものであることを特徴とする請求項１に記載のフォトルミネッセンス測定治具。
3. フォトルミネッセンスの測定方法であって、
   請求項１又は請求項２に記載のフォトルミネッセンス測定治具を用いて、測定対象となる短冊状のサンプルを固定してフォトルミネッセンスを測定することを特徴とするフォトルミネッセンスの測定方法。

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