JP7138857B2 - 半導体検査装置および半導体検査方法 - Google Patents

Description

この発明は、絶縁層および半導体層を含む半導体試料を検査する半導体検査装置および半導体検査方法に関し、特に、絶縁層および半導体層間の界面特性を検査する技術に関する。

近年、省エネ化の観点からＳｉＣやＧａＮを代表とするワイドギャップ半導体（一般的には、バンドギャップが２．２ｅＶ以上の半導体）が注目を集めている。ワイドギャップ半導体デバイスは、従来のＳｉデバイスの物性値による限界を超えた性能が達成可能である。高性能、高信頼性のデバイスの作製には、酸化膜（絶縁層）および半導体層間の界面などの材料界面の物理的理解が重要であるが、Ｓｉと比べてワイドギャップ半導体ではその界面での物理が未解明な点が多い。

代表的な半導体デバイスであるＭＯＳデバイスでは、絶縁層および半導体層の界面に存在する界面準位（または、表面準位）が形成されている。この界面準位は、電子や正孔を捕まえる働きを有するため、デバイスの動作に影響を与えることが知られている。例えば、界面準位に電子や正孔が捕まり、固定されることによって、可動電子や正孔はクーロン散乱を受けて移動度が低下し、結果的にドレイン電流が劣化する。また、界面準位に電子または正孔が捕えられたまま蓄積されると、空乏層が広くなったり、反転層の電荷量が変化したりすることによって、ゲート電圧でソース－ドレイン間電流を制御することが困難となる場合がある（閾値電圧が変動する）。

このように、一般的には、ＭＯＳデバイスの性能としては界面準位が少ない方が好ましい。すなわち、界面準位が少なければ界面特性が優れており、界面準位が多ければ界面特性が悪いことになる。

半導体デバイスにおける絶縁層および半導体層間の界面の検査手法として、容量－電圧（Capacitance-Voltage：ＣＶ）測定法がよく知られている。ＣＶ測定法では、検査対象である半導体試料の絶縁層上にゲート電極を形成することによって、いわゆるＭＩＳ（Metal-Insulator-Semiconductor）構造（絶縁層として酸化膜を用いた場合はＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）構造）を作製する。また、当該ＭＩＳ構造の半導体層（半導体基板）側に裏面電極が形成される。そして、ゲート電極と裏面電極間に印加する電圧を変化させつつ、静電容量（Ｃ）が測定される（例えば、特許文献１）。

特開２０１３－３８３４０号公報

ＣＶ測定法では、ゲート電極と裏面電極間に電圧を印加して静電容量を検出するものであるため、検出される静電容量は、絶縁層および半導体層の界面だけではなく、ゲート電極および裏面電極を含む構造全体の静電容量である。すなわち、ＣＶ測定法では、絶縁層および半導体層間の界面特性を選択的に検査するためには、半導体基板の抵抗値や金属電極とのコンタクト抵抗低減に注意する必要がある。

そこで、本発明は、絶縁層および半導体層間の界面特性を良好に検査する技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、第１態様は、絶縁層および半導体層の界面を有する半導体試料を検査する半導体検査装置であって、前記半導体試料を保持する保持部と、前記保持部に保持されている前記半導体試料である対象半導体試料の前記絶縁層および前記半導体層間に異なる電圧を切り換えて印加する電圧印加部と、前記対象半導体試料に第１波長領域の光を照射する光照射部と、前記異なる電圧の各々が印加される前記対象半導体試料から、前記光の照射に応じて放射される電磁波の強度である電磁波強度を検出する電磁波検出部と、前記異なる電圧に応じた前記電磁波強度の各々から、前記電磁波強度の変化量を示す情報である変化量情報を生成する変化量情報生成部とを備える。前記変化量情報は、前記異なる電圧の変化量に対する前記電磁波強度各々の変化量の比率である変化量比率を示す情報を含む。

第２態様は、第１態様の半導体検査装置であって、前記対象半導体試料は、順に、第１電極、前記絶縁層、前記半導体層、第２電極を有しており、前記電圧印加部は、前記第１電極と前記第２電極に電気的に接続されて、これらの間に電圧を印加する。

第３態様は、第２態様の半導体検査装置であって、前記第１電極は透明性を有する透明性電極を有しており、前記光照射部は、前記透明性電極に前記光を照射する。

第４態様は、第１態様の半導体検査装置であって、前記対象半導体試料は、順に、第１電極、前記絶縁層、前記半導体層、第２電極を有しており、前記第１電極は透明性を有する透明性電極を有しており、前記光照射部は、前記透明性電極に前記光を照射する。

第５態様は、第１態様から第４態様のいずれか１つの半導体検査装置であって、前記変化量比率と基準値との比較に基づいて、前記対象半導体試料の良否判定を行う判定部をさらに備える。

第６態様は、第５態様の半導体検査装置であって、前記基準値を設定する基準値設定部をさらに備える。

第７態様は、第６態様の半導体検査装置であって、良品を示す前記変化量比率である良品変化量比率と、不良品を示す前記変化量比率である不良品変化量比率を記憶する記憶部、をさらに備え、前記基準値設定部は、前記良品変化量比率と前記不良品変化量比率との間で、前記基準値の設定変更を受け付ける。

第８態様は、第１態様から第７態様のいずれか１つの半導体検査装置であって、前記対象半導体試料の主面に対して前記光の照射位置を相対的に変更する照射位置変更部と、前記対象半導体試料における、前記変化量の分布を示す変化量分布画像を生成する画像生成部とをさらに備える。

第９態様は、第１態様から第８態様のいずれか１つの半導体検査装置であって、前記光照射部が前記対象半導体試料に照射する前記光の波長領域を、前記第１波長領域とは異なる第２波長領域に変更する波長領域変更部をさらに備える。

第１０態様は、絶縁層および半導体層の界面を有する半導体試料を検査する半導体検査方法であって、（ａ）前記半導体試料を保持する保持工程と、（ｂ）前記保持工程にて保持されている前記半導体試料である対象半導体試料の前記絶縁層および前記半導体層間に、異なる電圧を切り換えて印加する電圧印加工程と、（ｃ）前記対象半導体試料に前記異なる電圧各々を印加している状態で、前記対象半導体試料に第１波長領域の光を照射して前記対象半導体試料から放射される電磁波の強度である電磁波強度各々を検出する電磁波検出工程と、（ｄ）前記異なる電圧に応じた前記電磁波強度各々から、前記電磁波強度の変化量を示す情報である変化量情報を生成する変化量情報生成工程とを含む。前記変化量情報は、前記異なる電圧の変化量に対する前記電磁波強度各々の変化量の比率である変化量比率を示す情報を含む。

第１態様の半導体検査装置によると、異なる電圧に応じて対象半導体試料から放射される電磁波の強度の変化量を示す変化量情報が生成される。光の照射に応じて半導体試料から放射される電磁波は、絶縁層および半導体層間の界面の電場情報を含む。このため、上記変化量情報は、印加される電圧変化に対する、絶縁層および半導体層間の界面の電場変化を示している。この界面電場変化は、界面の欠陥などの状態に依存するため、上記変化量情報に基づいて、絶縁層および半導体層間の界面特性を選択的に検査することができる。電圧の変化量に対する電磁波の強度の変化量比率から、印加電圧の変化に対する界面電場の変化状況を把握できる。このため、当該変化量比率に基づいて半導体試料を検査することにより、界面特性を定量的に評価できる。

第２態様の半導体検査装置によると、第１電極および第２電極間に電圧を印加することによって、絶縁層および半導体層間に電圧を印加できる。

第３態様の半導体検査装置によると、透明性電極に光を照射することによって、光が第１電極に遮られることを抑制できる。

第４態様の半導体検査装置によると、透明性電極に光を照射することによって、光が第１電極に遮られることを抑制できる。

第５態様の半導体検査装置によると、変化量比率を基準値と比較することによって、対象半導体試料の良否判定を容易に行うことができる。

第６態様の半導体検査装置によると、基準値を変更することによって、良否判定の判定基準を適当に設定できる。

第７態様の半導体検査装置によると、良品変化量比率と不良品変化比率の間で基準値を変更できるため、良否判定に適した基準値を設定できる。

第８態様の半導体検査装置によると、半導体試料における界面特性の空間的な分布を計測できる。

第９態様の半導体検査装置によると、半導体試料の種別に応じて照射する光の波長領域を変更できるため、半導体試料から電磁波を適切に放射させることができる。

第１０態様の半導体検査方法によると、異なる電圧に応じて対象半導体試料から放射される電磁波の強度の変化量を示す変化量情報が生成される。光の照射に応じて半導体試料から放射される電磁波は、絶縁層および半導体層間の界面の電場情報を含む。このため、上記変化量情報は、印加される電圧変化に対する、絶縁層および半導体層間の界面の電場変化を示している。この界面電場変化は、界面の欠陥などの状態に依存するため、上記変化量情報に基づいて、絶縁層および半導体層間の界面特性を選択的に検査することができる。電圧の変化量に対する電磁波の強度の変化量の変化量比率から、印加電圧の変化に対する界面電場の変化状況を把握できる。このため、変化量比率に基づいて半導体試料を検査することにより、界面特性を定量的に評価できる。

第１実施形態の半導体検査装置１の全体構成を概略的に示す図である。 第１実施形態の半導体試料９を示す概略断面図である。 第１実施形態の半導体検査装置１における制御部５０と他の要素との接続関係を示すブロック図である。 第１実施形態の半導体検査装置１による半導体試料９の検査の流れを示す図である。 電磁波ＬＴ１の時間波形ＴＷ１を示す図である。 電磁波ピーク強度－ゲート電圧グラフを示す図である。 界面特性と電磁波ピーク強度の関係を説明するための説明図である。 イメージングによる検査例を説明するための図である。 第２実施形態の半導体検査装置１Ａの全体構成を概略的に示す図である。

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。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又は簡略化して図示されている場合がある。

相対的または絶対的な位置関係を示す表現（例えば「一方向に」「一方向に沿って」「平行」「直交」「中心」「同心」「同軸」等）は、特に断らない限り、その位置関係を厳密に表すのみならず、公差もしくは同程度の機能が得られる範囲で相対的に角度または距離に関して変位された状態も表すものとする。等しい状態であることを示す表現（例えば「同一」「等しい」「均質」等）は、特に断らない限り、定量的に厳密に等しい状態を表すのみならず、公差もしくは同程度の機能が得られる差が存在する状態も表すものとする。形状を示す表現（例えば、「四角形状」または「円筒形状」等）は、特に断らない限り、幾何学的に厳密にその形状を表すのみならず、同程度の効果が得られる範囲で、例えば凹凸や面取り等を有する形状も表すものとする。一の構成要素を「備える」「具える」「具備する」「含む」又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的表現ではない。「～の上」とは、特に断らない限り、２つの要素が接している場合のほか、２つの要素が離れている場合も含む。

＜１． 第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の半導体検査装置１の全体構成を概略的に示す図である。図２は、第１実施形態の半導体試料９を示す概略断面図である。

半導体検査装置１において検査対象となる半導体試料９は、平板状を有する。半導体試料９は、半導体層９０と、半導体層９０上に配された絶縁層９２とを含む積層構造を有する。半導体層９０は、Ｓｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＳｉＣ（炭化シリコン）、ＧａＮ（窒化ガリウム）などで構成される。また、絶縁層９２は、ＳｉｘＯｙ（酸化シリコン、ｘ＞０、ｙ＞０）、ＳｉｘＮｙ（窒化ケイ素）又はＡｌＯｘ（酸化アルミニウム）などで構成される。以下の説明では、半導体層９０がｎ型４Ｈ－ＳｉＣ基板であり、絶縁層９２がＳｉｘＯｙの熱酸化膜である場合を説明する。

半導体試料９の絶縁層９２側の表面（第１主面）には、ゲート電極９４が形成されている。半導体試料９の半導体層側の表面（第２主面）には、裏面電極９６が形成されている。すなわち、半導体試料９は、上から順に、ゲート電極９４（第１電極）、絶縁層９２、半導体層９０、裏面電極９６（第２電極）を有する。このように、半導体試料９は、ＭＩＳ構造（ここでは、ＭＯＳ構造）を有する。

ゲート電極９４は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）または酸化スズ（ＳｎＯ_２）系を主材料とする透明導電膜のように、透明性を有する透明性電極であることが好ましい。裏面電極は、例えば、アルミニウムなどの導電性金属を主成分とする電極である。

半導体検査装置１では、後述するように、半導体試料９を検査する上で基準となる試料（基準半導体試料９Ａ，９Ｂ）を用いて、各種パラメータ（後述する、基準比率）の取得が行われる。基準半導体試料９Ａ，９Ｂも、半導体試料９と同様の構造を有する。

半導体検査装置１は、光照射部１０、電磁波検出部２０、ステージ３０（保持部）、ステージ移動部３５、電圧印加部４０および制御部５０を備える。半導体検査装置１は、ステージ３０に保持された半導体試料９（対象半導体試料）に、光照射部１０からの検査光ＬＰ１０（光）を照射して、半導体試料９から放射される電磁波ＬＴ１（主にテラヘルツ波）の強度を電磁波検出部２０で検出する装置である。以下、各要素について説明する。

＜光照射部１０＞
光照射部１０は、半導体試料９から電磁波ＬＴ１を放射させる所定の波長領域の検査光ＬＰ１０を半導体試料９に照射する。ここでは、半導体試料９から放射される電磁波ＬＴ１は、周波数０．１ＴＨｚ（テラヘルツ）～１０ＴＨｚ帯のテラヘルツ波を含む。

図１に示すように、光照射部１０は、フェムト秒レーザ１２を備える。フェムト秒レーザ１２は、周期が数ｋＨｚ（キロヘルツ）～数十ＭＨｚ（メガヘルツ）であって、パルス幅が１０～１５０フェムト秒程度の直線偏光であり、２００ｎｍ（ナノメートル）以上２．５μｍ（マイクロメートル）以下の紫外から赤外領域の波長に含まれる波長領域のパルス光ＬＰ１を出力する。

光照射部１０は、ビームスプリッタ１４を備える。ビームスプリッタ１４は、パルス光ＬＰ１の光路上に設けられており、パルス光ＬＰ１を２つに分割する。一方のパルス光ＬＰ１は後述する波長変換器１６に導かれ、他方のパルス光ＬＰ１は、参照光ＬＰ１２として電磁波検出部２０に導かれる。

光照射部１０は、波長変換器１６を備える。波長変換器１６は、ビームスプリッタ１４から出力されたパルス光ＬＰ１の光路上に設けられており、制御部５０からの制御指令に基づいて、パルス光ＬＰ１の波長領域を他の波長領域に変換することができる。波長変換器１６から出力されたパルス光ＬＰ１は、検査光ＬＰ１０として半導体試料９に導かれる。

波長変換器１６による波長の変換方式は特に限定されないが、例えば、非線形光学結晶を用いて第２次高調波発生、第３次高調波発生を起こすものとしてもよい。なお、波長変換器１６は、パルス光ＬＰ１に対して波長変換を行わずに（すなわち、元のパルス光ＬＰ１の波長のまま）出力できるようにしてもよい。また、波長変換器１６は省略してもよい。

検査光ＬＰ１０は、不図示の光学系によって１点に集光されて、半導体試料９に対してスポット状に照射される。半導体試料９における照射径（スポット径）は、１μｍ～１０ｍｍとされるが、これに限定されるものではない。

半導体試料９のような半導体試料においてテラヘルツ波が発生する原理は、例えば、国際公開２００６－０９３２６５号に記載されている。フェムト秒パルスレーザが半導体試料９に照射されると、光励起キャリアが半導体試料９内で生成される。この光励起キャリアが半導体試料９内の電場または拡散によって加速されることにより、パルス状の過渡電流が発生する。この過渡電流によって、電磁波が発生する（過渡電流効果）。この電磁波は、内部電界の向きや強さに依存して発生するため、当該電磁波を分析することによって、半導体試料９の特性を検査することができる。

例えば、半導体層９０の絶縁層９２との界面９８付近は、半導体層９０の内部とは異なるエネルギー状態を取るが、平衡状態では界面９８付近と半導体層９０内部のフェルミ準位が同じ値を取るため、界面９８付近でキャリアの移動が起こる。このキャリアの移動によって、表面付近ではバンド構造が曲がり、表面電位が生じる。この表面電位によって光励起キャリアが加速されることで、電磁波が発生する。

半導体試料９に照射される検査光ＬＰ１０の波長は、ゲート電極９４を透過して、絶縁層９２および半導体層９０間の界面９８に到達する波長とされる。また、検査光ＬＰ１０の光子エネルギーは、半導体試料９の半導体層９０のバンドギャップ近傍以上のエネルギーとされる。

半導体層９０が４Ｈ－ＳｉＣ基板である場合を想定すると、空乏層幅に近い約１μｍの侵入長を持つ光の波長は、約２８０ｎｍである。また、４Ｈ－ＳｉＣのバンドギャップは３．２６ｅＶであり、このエネルギーに相当する波長は３８０ｎｍである。したがって、２８０ｎｍより長く、かつ、３８０ｎｍよりも短い波長のパルス光を照射することによって、当該半導体試料９から電磁波ＬＴ１を放射させ得る。ここでは、検査光ＬＰ１０として、２８０ｎｍを照射するものとする。

＜電磁波検出部２０＞
電磁波検出部２０は、電磁波検出器２２を備える。電磁波検出器２２は、光伝導アンテナ（光伝導スイッチ）を有する。電磁波検出器２２には、参照光ＬＰ１２が照射される。

光伝導アンテナとしては、ダイポール型、ボウタイ型およびスパイラル型などが知られている。ダイポール型の光伝導アンテナは、光が入射したときに電子および正孔を生成する光伝導膜と、光伝導膜上に平行に形成された金属製の一対の平行伝送線（電極）とを備える。一対の平行伝送線各々の中央部には、内向きに延びてギャップを形成する出っ張り（アンテナ）が設けられている。また、一対の平行伝送線間には、電流計が設けられる。

アンテナ間のギャップに参照光ＬＰ１２を照射すると、光伝導膜において光励起キャリアが生成される。光励起キャリアが生成されても、電磁波ＬＴ１が入射していない状態では、ギャップ間に電位差が生じていないため、電流は発生しない。対照的に、電磁波ＬＴ１が参照光ＬＰ１２と重なるタイミングで入射すると、電磁波ＬＴ１の電界強度（電磁波強度）に比例した電位差がギャップ間に瞬時的に発生し、電流が瞬時的に発生する。この電流値は、図示しないロックインアンプやＡ／Ｄ変換回路などを介して適宜デジタル量に変換される。

このように、電磁波検出器２２は、光伝導アンテナを備えることにより、参照光ＬＰ１２が入射するタイミングに応じて、半導体試料９が放射する電磁波ＬＴ１の電界強度を検出する。なお、電磁波ＬＴ１を検出する構成としては、光伝導アンテナを含む構成に限定されるものではなく、例えば、非線形光学結晶を用いてもよい。

電磁波検出部２０は、遅延部２４を備える。遅延部２４は、参照光ＬＰ１２に時間遅延を与える光学遅延素子である。遅延部２４は、遅延ステージ２４０と遅延ステージ移動部２４２とを備える。

遅延ステージ２４０は、ビームスプリッタ１４から電磁波検出器２２までの間の参照光ＬＰ１２の光路上に設けられている。遅延ステージ２４０は、参照光ＬＰ１２を反射する反射ミラー２４０Ｍを備えている。反射ミラー２４０Ｍは、参照光ＬＰ１２をその入射方向と平行に、かつ、入射時の光軸からずらして反射する。反射ミラー２４０Ｍで反射した参照光ＬＰ１２は、その光路上に配置されたミラー群を介して、電磁波検出器２２に導かれる。

遅延ステージ移動部２４２は、遅延ステージ２４０を参照光ＬＰ１２の光路と平行に往復移動させる。遅延ステージ２４０の往復移動により、参照光ＬＰ１２の光路長が変化するため、参照光ＬＰ１２が電磁波検出器２２に到達するタイミングを変更できる。これによって、電磁波検出器２２が電磁波ＬＴ１を検出するタイミングが変更される。電磁波ＬＴ１はパルス波であるが、参照光ＬＰ１２に遅延を与えることによって、電磁波強度を異なる位相毎に検出することができる。

参照光ＬＰ１２に時間遅延を与える代わりに、検査光ＬＰ１０に時間遅延を与えることによっても、電磁波ＬＴ１が検出されるタイミングを変更できる。この場合、検査光ＬＰ１０の光路長を変更するように、遅延ステージ２４０、遅延ステージ移動部２４２を設けてもよい。検査光ＬＰ１０に時間遅延を与えることによって、電磁波ＬＴ１の発生を遅延させることができる。これにより、電磁波ＬＴ１が電磁波検出器２２に到達するタイミングを、参照光ＬＰ１２が電磁波検出器２２に入射するタイミングに対して相対的に早めたり、あるいは、遅延したりすることができる。

＜ステージ３０＞
ステージ３０は、水平面に平行な保持面を有する。ステージ３０は、当該保持面にて、図２に示すように、半導体試料９を裏面電極９６側から支持する。これにより、半導体試料９は、ゲート電極９４側に検査光ＬＰ１０が入射するように保持される。また、検査光ＬＰ１０は、半導体試料９のゲート電極９４の表面に対して斜めに入射する。ここでは、検査光ＬＰ１０の入射角は、４５度とされているが、これは必須ではなく、０度から９０度の範囲内で任意に設定してもよい。

ステージ３０は、半導体試料９を保持する構成として、例えば、半導体試料９の縁部等を挟み持つ挟持具、半導体試料９を保持面に接着させる粘着部材（例えば、粘着性シート）、または、半導体試料９を吸着する吸着孔を備えていてもよい。

＜ステージ移動部３５＞
ステージ移動部３５は、制御部５０からの制御指令に応じて、光照射部１０および電磁波検出部２０に対して、ステージ３０をその保持面に平行な水平面内で移動させる。ステージ移動部３５は、例えば、リニアモータ機構またはボールネジ機構などの駆動機構を含むＸＹテーブルを備えていてもよい。ステージ移動部３５の動作によりステージ３０が移動することによって、半導体試料９に対する検査光ＬＰ１０の入射位置が変更される。本実施形態では、制御部５０の制御指令に応じてステージ移動部３５がステージ３０を移動させることにより、半導体試料９の表面が検査光ＬＰ１０で走査される。なお、半導体検査装置１は、検査光ＬＰ１０の光路を変更するガルバノミラーなどの光学素子を備えてもよい。検査光ＬＰ１０の光路を変更することによっても、検査光ＬＰ１０の入射位置を変更できる。

＜電圧印加部４０＞
電圧印加部４０は、プローブピン４２と、電圧可変電源４４とを備える。電圧印加部４０は、半導体試料９のゲート電極９４に対してプローブピン４２を介して電気的に接続可能であり、裏面電極９６に対してステージ３０に設けられた導電性の電極部材（不図示）を介して電気的に接続可能である。電圧可変電源４４は、プローブピン４２およびステージ３０に設けられた電極部材を介して、ゲート電極９４および裏面電極９６間に所定の電圧（以下、「ゲート電圧」とも称する。）を印加する。電圧可変電源４４が印加するゲート電圧は、制御部５０からの制御指令に応じて変更可能とされている。

＜制御部５０＞
図３は、第１実施形態の半導体検査装置１における制御部５０と他の要素との接続関係を示すブロック図である。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどの一般的なコンピュータとしての構成を備えており、ＣＰＵがプログラムに従って動作することにより、半導体検査装置１の各要素（フェムト秒レーザ１２、波長変換器１６、遅延ステージ移動部２４２，ステージ移動部３５、電圧印加部４０など）に接続されており、制御指令を出力してこれらの動作を制御する。また、制御部５０は電磁波検出器２２に接続されており、電磁波検出器２２が検出した電磁波ＬＴ１の電界強度が制御部５０に入力される。

制御部５０には、各種情報を表示する表示部６０、キーボードおよびマウスなどの各種入力デバイスを含む操作部６２が接続されている。また、制御部５０には、各種情報を記憶する記憶部６４が接続されている。記憶部６４は、プログラムＰＧ１や各種情報が保存されるハードディスクなどの固定ディスクを含む。プログラムＰＧ１は、半導体検査装置１の各要素の動作を制御するための制御アプリケーションのほか、データ加工などの処理を実行するためのソフトウェアアプリケーションを含む。

制御部５０は、光学メディア、磁気メディア、半導体メモリなどの可搬性を有する各種記憶媒体からプログラムＰＧ１や各種情報を読み取る読取装置を備えていてもよい。制御部５０は、ネットワークを介して他のコンピュータとプログラムまたは各種情報をやりとりする通信部を備えていてもよい。

制御部５０のＣＰＵは、プログラムＰＧ１に従って動作することにより、変化量情報生成部５２、判定部５４０、基準値設定部５４２、画像生成部５６、時間波形復元部５８として機能する。なお、これらの機能のうち一部または全部は、専用の回路でハードウェア的に実現されてもよい。

変化量情報生成部５２は、半導体試料９に印加された異なるゲート電圧に応じた電磁波強度の各々から、電磁波強度の変化量を示す情報である変化量情報６４０を生成する。変化量情報６４０は、後述するように、２つの異なるゲート電圧に応じた２つの電磁波強度の差分値、または、ゲート電圧の変化量に対する電磁波強度の変化量の比率（傾き）を含む。これらの詳細については、後述する。

判定部５４０は、基準値に基づいて、変化量情報６４０に含まれる比率を基準値ＳＴ１と比較することによって、検査対象の半導体試料９の良否判定を行う。基準値設定部５４２は、操作部６２を介して、基準値ＳＴ１の設定変更を受け付ける。基準値設定部５４２は、良品を示す比率である良品変化量比率ＳＲ１と、不良品を示す比率である不良品変化量比率ＳＲ２との間で、基準値ＳＴ１の設定変更を受け付ける。

画像生成部５６は、変化量分布画像を生成する。変化量分布画像は、半導体試料９におけるゲート電圧に応じた電磁波強度の変化量の分布を示す画像である。変化量分布画像は、半導体試料９に対して２つの異なるゲート電圧（第１ゲート電圧Ｖ１、第２ゲート電圧Ｖ２）を切り換えて印加した際に、半導体試料９の各地点から放射される電磁波強度（第１電磁波強度、第２電磁波強度）の変化量（差分値）の分布を示す画像である。画像生成部５６が生成した画像は、制御部５０によって表示部６０に適宜表示されてもよい。

時間波形復元部５８は、電磁波検出器２２が検出した電磁波強度に基づき、電磁波ＬＴ１の時間波形を復元する。時間波形復元部５８は、遅延ステージ２４０を動作させて参照光ＬＰ１２に時間遅延を与えることにより、電磁波ＬＴ１の電界強度を複数の異なる位相毎に検出する。時間波形復元部５８は、複数の異なる位相（時間）に応じた各電界強度から、電磁波ＬＴ１を示す波形（時間波形）を復元する。

＜半導体検査装置１の動作＞
図４は、第１実施形態の半導体検査装置１による半導体試料９の検査の流れを示す図である。以下に説明する半導体検査装置１の動作は、特に断らない限り、制御部５０からの制御指令に基づいて行われるものとする。また、動作が実行される順序については、図４に示すものに限定されるものではなく、適宜変更してもよい。

半導体検査装置１において検査が開始されると、まず、ステージ３０が半導体試料９を保持する（保持工程Ｓ１）。保持工程Ｓ１において、ステージ３０が半導体試料９を保持すると、電圧印加部４０が半導体試料９のゲート電極９４及び裏面電極９６に電気的に接続される。これにより、半導体層９０および絶縁層９２間にゲート電圧を印加できる状態となる。

保持工程Ｓ１が完了すると、計測条件の設定が行われる（条件設定工程Ｓ２）。計測条件は、半導体試料９の全面のうちの検査対象とする検査領域、検査光ＬＰ１０の波長の設定、検査光ＬＰ１０の強度、および、異なるゲート電圧の大きさなどを含む。これらの計測条件は、制御部５０が操作部６２を介したオペレータからの操作入力を受け付けて設定する。

条件設定工程Ｓ２が完了すると、電圧印加部４０が条件設定工程Ｓ２で設定された異なるゲート電圧のうち１つのゲート電圧を半導体試料９に印加する（ゲート電圧印加工程Ｓ３）。電圧可変電源４４の動作により、半導体試料９のゲート電極９４および裏面電極９６間にゲート電圧が印加される。

ゲート電圧印加工程Ｓ３が完了すると、電磁波ピーク強度の検出が行われる（電磁波検出工程Ｓ４）。電磁波ピーク強度は、電磁波ＬＴ１が最大となるタイミングで検出される電磁波強度である。電磁波ＬＴ１が最大となるタイミングは、時間波形復元部５８が試験的に復元した電磁波ＬＴ１の時間波形から決定されるとよい。

図５は、電磁波ＬＴ１の時間波形ＴＷ１を示す図である。図５において、縦軸は電界強度を示しており、横軸は位相（時間（ｐｓ：ピコ秒））を示している。図５に示すように、復元された時間波形ＴＷ１から、電界強度が最大（電磁波ピーク強度Ｐ１）となる時間ｔ１が特定される。電磁波検出工程Ｓ４では、遅延ステージ２４０の位置が時間ｔ１に応じた位置に固定された状態で、電磁波強度の検出が行われる。これにより、電磁波ＬＴ１の電磁波ピーク強度を理論的に検出することが可能となる。

なお、時間ｔ１の特定は、例えば、半導体検査装置１において、半導体試料９を用いて試験的に電磁波ＬＴ１を発生させて、時間波形ＴＷ１を復元して行うとよい。また、初めて電磁波検出工程Ｓ４を行うとき（すなわち、半導体試料９に１つ目のゲート電圧を印加した状態で電磁波測定を行うとき）に、時間波形を復元して時間ｔ１を特定してもよい。

電磁波検出工程Ｓ４が完了すると、制御部５０は、計測条件で設定されたすべてのゲート電圧について電磁波ピーク強度が検出されたどうかを判断する（判断工程Ｓ５）。測定されていないゲート電圧がある場合（判断工程Ｓ５においてＮｏの場合）、ゲート電圧印加工程Ｓ３に戻って、電磁波ピーク強度が未計測であるゲート電圧が半導体試料９に印加される。そして、電磁波検出工程Ｓ４が実行される。このようにすべてのゲート電圧について電磁波ピーク強度が取得されるまで、ゲート電圧印加工程Ｓ３から判断工程Ｓ５までの動作が繰り返し実行される。

すべてのゲート電圧について電磁波ピーク強度が検出された場合（判断工程Ｓ５においてＹｅｓの場合）、制御部５０は電磁波ピーク強度とゲート電圧の関係を示すグラフを作成する（グラフ作成工程Ｓ６）。このグラフ作成は、変化量情報生成部５２が実行するようにしてもよい。

図６は、電磁波ピーク強度－ゲート電圧グラフを示す図である。図６中、縦軸は電磁波ピーク強度を示しており、横軸はゲート電圧（Ｖ：ボルト）を示している。図６に示す例では、ゲート電圧を、－５Ｖから９Ｖまでの１Ｖ刻みとし、各ゲート電圧を半導体試料９に印加したときに検出される電磁波ピーク強度を白抜きの丸（○）で示している。本例の場合、ゲート電圧を－５Ｖから９Ｖまで変化させることにより、電磁波ピーク強度が線形的に減少している。

グラフ作成工程Ｓ６が完了すると、変化量情報生成部５２がグラフの傾きを求める（傾き算出工程Ｓ７）。具体的には、変化量情報生成部５２は、ゲート電圧を説明変数（独立変数）とし、電磁波ピーク強度を目的変数（従属変数）として、線形モデルを用いる回帰分析（例えば、最小二乗法）を行うことによって、近似直線Ｌ１を算出するとともにその傾きＡ１を算出する。この傾きＡ１は、検査対象である半導体試料９についての、ゲート電圧の変化量に対する電磁波ピーク強度の比率である変化量比率に対応する値である。傾きＡ１を算出する傾き算出工程Ｓ７は、変化量情報取得工程である。

傾き算出工程Ｓ７が完了すると、判定部５４０は検査対象である半導体試料９の良否判定を行う（良否判定工程Ｓ８）。判定部５４０は、傾き算出工程Ｓ７で算出された傾きＡ１と、基準値ＳＴ１とを比較して、半導体試料９が良品であるか不良品であるかを判定する。

基準値ＳＴ１の決め方の一例を説明する。まず、界面特性が優れていることが確認されている良品の半導体試料９である基準半導体試料９Ａと、界面特性が不良であることが確認されている不良品の半導体試料９である基準半導体試料９Ｂとが準備される。界面特性の確認は、ＣＶ測定法など周知の方法で行われるとよい。このような基準半導体試料９Ａ，９Ｂを検査対象として、図４に示す検査が実行される。すなわち、基準半導体試料９Ａ，９Ｂについて、ゲート電圧を切り換えて印加しつつ、電磁波ピーク強度が計測される。そして、基準半導体試料９Ａ，９Ｂ毎に近似直線ＬＳ１，ＬＳ２が算出され、それぞれの傾きα，βが算出される。傾きα，βは、良品変化量比率ＳＲ１および不良品変化量比率ＳＲ２として、記憶部６４に保存される。

図６に示すように、半導体層９０の導電型がｎ型である場合、ゲート電圧が負から正になるにつれて、電磁波ピーク強度が小さくなっており、傾きα，βは負の値となる。また、界面特性が優れた基準半導体試料９Ａの傾きαの絶対値は、界面特性が不良である基準半導体試料９Ｂの傾きβの絶対値よりも大きくなる。傾きα，βがこのような傾向を示す要因について、図７を参照しつつ考察する。

図７は、界面特性と電磁波ピーク強度の関係を説明するための説明図である。ゲート電圧を変化させることにより、半導体層９０および絶縁層９２の界面９８の電場が変化する。上述したように、半導体試料９、基準半導体試料９Ａまたは９Ｂから放射される電磁波ＬＴ１は界面９８の電場情報を含んでいる。このため、電磁波ピーク強度－ゲート電圧グラフの傾きＡ１，α，βは、ゲート電圧変化に対する界面電場の変化量に対応していると考えられる。

ゲート電圧の変化に対する界面電場の応答は、界面９８の欠陥などの状態に依存する。界面９８に欠陥が少ない（すなわち、界面特性が優れている）基準半導体試料９Ａの場合、ゲート電圧変化に対して界面電場の応答が良好である。すなわち、ゲート電圧を大きくすると、界面９８に捕らえられる電荷（ここでは、電子）が比較的少なく、ゲート電圧変化を妨げにくい。このため、電磁波ピーク強度－ゲート電圧グラフの傾きαは相対的に急峻となる。これとは対照的に、界面９８に欠陥が多く存在する（すなわち、界面特性が不良である）基準半導体試料９Ｂの場合、ゲート電圧が変化しても、界面９８に捕らえられた電荷が比較的多いため界面電場の変化が妨げられる。このため、電磁波ピーク強度－ゲート電圧グラフの傾きβは相対的に緩やかになる。

良否判定工程Ｓ８で判定部５４０が用いる基準値ＳＴ１を、傾きαと傾きβの間の値とするとよい。例えば、基準値ＳＴ１を、傾きα，βの平均値（＝（α＋β）／２）としてもよい。判定部５４０は、検査対象の半導体試料９から得られた傾きＡ１の絶対値が当該基準値の絶対値よりも大きい場合（すなわち、傾きが相対的に急峻な場合）、当該半導体試料９を良品と判定するとよい。また、判定部５４０は、傾きＡ１の絶対値が基準値の絶対値よりも小さい場合（すなわち、傾きが相対的に緩やかな場合）、当該半導体試料９を不良品と判定するとよい。

基準値ＳＴ１は、傾きα，βの平均値よりも大きい値（すなわち、傾きβ寄りの値）としてもよく、例えば、傾きα，βの和を２よりも大きい数で割って得られる値を基準値ＳＴ１としてもよい。例えば、傾きα，βの和であってβの比重を重くした値（ｐ１・α＋ｐ２・βであって、ｐ１＜ｐ２。計算の便宜上、ｐ１＋ｐ２＝１．０であることが好ましい。）を基準値ＳＴ１とした場合、上記平均値を採用する場合よりも、良品と判定される基準が緩くなる。具体例として、基準値ＳＴ１を０．２α＋０．８βとすることが考えられる。これとは対照的に、傾きα、βの平均値よりも小さい値（すなわち、傾きα寄りの値）としてもよい。例えば、傾きα，βの和であってαの比重を重くした値（ｐ１・α＋ｐ２・βであって、ｐ１＞ｐ２）を基準値ＳＴ１とした場合、良品と判定される基準を厳しくすることができる。また、基準値ＳＴ１は、傾きαよりも小さい値（ＳＴ１＜α）、あるいは、傾きβよりも大きい値（ＳＴ１＞β）とすることも妨げられない。

半導体検査装置１では、半導体試料９から放射される電磁波ＬＴ１を検出することによって、半導体試料９における界面電場を選択的に観測できる。したがって、半導体試料９における界面９８の特性を選択的に観測できる。半導体検査装置１では、ゲート電圧を変化させることによって、ゲート電圧に応じた電磁波強度の変化量を示す変化量情報を生成する。このため、ゲート電圧に応じた界面電界の変化を解析できるため、半導体試料９における界面９８の特性を選択的に検査できる。

＜イメージングによる検査例について＞
図８は、イメージングによる検査例を説明するための図である。図８（ａ）－（ｄ）は、それぞれ、界面特性が比較的良好である良好領域Ｒ１および界面特性が比較的不良である不良領域Ｒ２を有する半導体試料９、第１強度分布画像９Ｉ１、第２強度分布画像９Ｉ２、変化量分布画像９Ｉ３を概念的に示す図である。画像９Ｉ１，９Ｉ２，９Ｉ３は、画像生成部５６によって生成される画像である。第１強度分布画像９Ｉ１は、第１ゲート電圧Ｖ１が印加されている半導体試料９の各地点から検査光ＬＰ１０の照射に応じて放射される電磁波ピーク強度の分布を示している。第２強度分布画像９Ｉ２は、第２ゲート電圧Ｖ２が印加されている半導体試料９の各地点から検査光ＬＰ１０の照射に応じて放射される電磁波ピーク強度の分布を示している。変化量分布画像９Ｉ３は、第１強度分布画像９Ｉ１および第２強度分布画像９Ｉ２において対応する画素間の画素値（電磁波ピーク強度）の差分の分布を示す差分画像である。なお、差分値は、ゲート電圧の変化（Ｖ１→Ｖ２）に応じた電磁波ピーク強度の変化量を示す情報である変化量情報６４０の一例である。

図８に示すように、不良領域Ｒ２を有する半導体試料９について、第１，第２強度分布画像９Ｉ１，９Ｉ２を生成すると、各画像が示すように、不良領域Ｒ２において良好領域Ｒ１とは異なる大きさの電磁波ピーク強度が検出される。ところが、第１，第２強度分布画像９Ｉ１，９Ｉ２上では、良好領域Ｒ１と不良領域Ｒ２とを明瞭に識別することが困難な場合がある。これに対して、変化量分布画像９Ｉ３が示すように、第１，第２強度分布画像９Ｉ１，９Ｉ２の差分（変化量）を画像化することによって、良好領域Ｒ１と不良領域Ｒ２の違いが強調され、識別が容易となる。すなわち、不良領域Ｒ２の特定を容易に行うことができる。

また、従来の界面特性の検査方法であるＣＶ測定法では、ゲート電極の面積以下の空間分解能で、絶縁層および半導体層間の界面の特性分布を得ることは困難である。ゲート電極を微細化することによって、空間分解能を上げることは可能であるものの、そのような電極を形成するプロセスの複雑化及び高コスト化、並びに、計測回数の増大といった課題があった。これとは対照的に、半導体検査装置１では、検査対象に照射する検査光ＬＰ１０のスポット径で空間的な分解能が決まる。このため、複雑かつ微細なゲート電極を作製することなく、界面特性の空間的な分布を計測できる。

＜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、同じ符号又はアルファベット文字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。

上記実施形態では、電圧印加部４０は、ゲート電極９４および裏面電極９６に電気的に接続されて、半導体層９０および絶縁層９２間に異なる電圧（ゲート電圧）を印加する。しかしながら、これとは異なる方法で、半導体層９０および絶縁層９２間に電圧を印加してもよい。

図９は、第２実施形態の半導体検査装置１Ａの全体構成を概略的に示す図である。半導体検査装置１Ａは、電圧印加部４０の代わりに、コロナ放電機構４６を備える点で半導体検査装置１とは相違する。

コロナ放電機構４６は、コロナ放電によって正イオンまたは負イオンを含む電荷粒子を発生させ、当該電荷粒子を半導体試料９の絶縁層９２に付与する。コロナ放電機構４６は、電源部４６０、放電電極４６２および電極４６４を備える。放電電極４６２は、針状に形成された導電性を有する部材であり、ステージ３０に保持された半導体試料９よりも上方に離隔して配置されている。放電電極４６２の先端部は、半導体試料９の絶縁層９２に向けられている。電源部４６０は、放電電極４６２に高電圧を印加する装置である。電源部４６０は、制御部５０の制御指令に基づいて動作する。

放電電極４６２が放電を開始すると、空気中の分子がイオン化する。図９に示すように、発生したイオン（ここでは、負イオン）は、中央に孔が形成された電極４６４を通って、半導体試料９の絶縁層９２に付与される。なお、電極４６４を正または負に帯電させることにより、それとは反対の極の負イオンまたは正イオンが吸収される。これにより、正イオンまたは負イオンのいずれか一方のみを選択的に半導体試料９に付与できる。

コロナ放電機構４６は、半導体試料９の絶縁層９２の表面全体ではなく一部の限定された領域のみに電荷粒子を付与するようにしてもよい。ステージ移動部３５がステージ３０を水平面内で移動させることにより、コロナ放電機構４６が半導体試料９に荷電粒子が付与される領域を変更してもよい。

コロナ放電機構４６からの電荷粒子が絶縁層９２に付与されると、半導体層９０および絶縁層９２間に電圧が印加された状態となる。コロナ放電機構４６は、制御部５０の制御指令に応じて、電荷粒子の量を変更可能に構成されている。このため、コロナ放電機構４６は、半導体層９０および絶縁層９２間に、異なる電圧を切り換えて印加できる。コロナ放電によって半導体試料９に電圧を印加する場合、ゲート電極９４および裏面電極９６は省略することができる。

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。上記各実施形態およ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 半導体検査装置
１０ 光照射部
１２ フェムト秒レーザ
１６ 波長変換器（波長領域変更部）
２０ 電磁波検出部
２２ 電磁波検出器
３０ ステージ（保持部）
３５ ステージ移動部（走査機構）
４０ 電圧印加部
４２ プローブピン
４４ 電圧可変電源
４６ コロナ放電機構（電圧印加部）
５０ 制御部
５２ 変化量情報生成部
５４０ 判定部
５４２ 基準値設定部
５６ 画像生成部
５８ 時間波形復元部
６４ 記憶部
６４０ 変化量情報
９ 半導体試料
９Ａ，９Ｂ 基準半導体試料
９０ 半導体層
９２ 絶縁層
９４ ゲート電極（第１電極）
９６ 裏面電極（第２電極）
９８ 界面
９Ｉ１ 第１強度分布画像
９Ｉ２ 第２強度分布画像
９Ｉ３ 変化量分布画像
ＬＰ１０ 検査光
ＬＰ１２ 参照光
Ｌ１，ＬＳ１，ＬＳ２ 近似直線
ＬＴ１ 電磁波
Ｒ１ 良好領域
Ｒ２ 不良領域
ＳＲ１ 良品変化量比率
ＳＲ２ 不良品変化量比率
ＳＴ１ 基準値
ＴＷ１ 時間波形

Claims (10)

1. 絶縁層および半導体層の界面を有する半導体試料を検査する半導体検査装置であって、
   前記半導体試料を保持する保持部と、
   前記保持部に保持されている前記半導体試料である対象半導体試料の前記絶縁層および前記半導体層間に異なる電圧を切り換えて印加する電圧印加部と、
   前記対象半導体試料に第１波長領域の光を照射する光照射部と、
   前記異なる電圧の各々が印加される前記対象半導体試料から、前記光の照射に応じて放射される電磁波の強度である電磁波強度を検出する電磁波検出部と、
   前記異なる電圧に応じた前記電磁波強度の各々から、前記電磁波強度の変化量を示す情報である変化量情報を生成する変化量情報生成部と、
   を備え、
   前記変化量情報は、前記異なる電圧の変化量に対する前記電磁波強度各々の変化量の比率である変化量比率を示す情報を含む、半導体検査装置。
2. 請求項１の半導体検査装置であって、
   前記対象半導体試料は、順に、第１電極、前記絶縁層、前記半導体層、第２電極を有しており、
   前記電圧印加部は、前記第１電極と前記第２電極に電気的に接続されて、これらの間に電圧を印加する、半導体検査装置。
3. 請求項２の半導体検査装置であって、
   前記第１電極は透明性を有する透明性電極を有しており、
   前記光照射部は、前記透明性電極に前記光を照射する、半導体検査装置。
4. 請求項１の半導体検査装置であって、
   前記対象半導体試料は、順に、第１電極、前記絶縁層、前記半導体層、第２電極を有しており、
   前記第１電極は透明性を有する透明性電極を有しており、
   前記光照射部は、前記透明性電極に前記光を照射する、半導体検査装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項の半導体検査装置であって、
   前記変化量比率と基準値との比較に基づいて、前記対象半導体試料の良否判定を行う判定部、
   をさらに備える、半導体検査装置。
6. 請求項５の半導体検査装置であって、
   前記基準値を設定する基準値設定部、
   をさらに備える、半導体検査装置。
7. 請求項６の半導体検査装置であって、
   良品を示す前記変化量比率である良品変化量比率と、不良品を示す前記変化量比率である不良品変化量比率を記憶する記憶部、
   をさらに備え、
   前記基準値設定部は、前記良品変化量比率と前記不良品変化量比率との間で、前記基準値の設定変更を受け付ける、半導体検査装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項の半導体検査装置であって、
   前記対象半導体試料の主面に対して前記光の照射位置を相対的に変更する照射位置変更部と、
   前記対象半導体試料における、前記変化量の分布を示す変化量分布画像を生成する画像生成部と、
   をさらに備える、半導体検査装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項の半導体検査装置であって、
   前記光照射部が前記対象半導体試料に照射する前記光の波長領域を、前記第１波長領域とは異なる第２波長領域に変更する波長領域変更部、
   をさらに備える、半導体検査装置。
10. 絶縁層および半導体層の界面を有する半導体試料を検査する半導体検査方法であって、
    （ａ）前記半導体試料を保持する保持工程と、
    （ｂ）前記保持工程にて保持されている前記半導体試料である対象半導体試料の前記絶縁層および前記半導体層間に、異なる電圧を切り換えて印加する電圧印加工程と、
    （ｃ）前記対象半導体試料に前記異なる電圧各々を印加している状態で、前記対象半導体試料に第１波長領域の光を照射して前記対象半導体試料から放射される電磁波の強度である電磁波強度各々を検出する電磁波検出工程と、
    （ｄ）前記異なる電圧に応じた前記電磁波強度各々から、前記電磁波強度の変化量を示す情報である変化量情報を生成する変化量情報生成工程と、
    を含み、
    前記変化量情報は、前記異なる電圧の変化量に対する前記電磁波強度各々の変化量の比率である変化量比率を示す情報を含む、半導体検査方法。

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