JPH10270516A - 半導体ウエハの評価方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高精度にライフタイムを測定することが可能
な半導体ウエハの評価方法及びその実施に使用する装置
を提供すること。 【解決手段】 試料保持台１にウエハ２を載置し、電極
３，６間に所定の電圧を印加する。これにより、ウエハ
２の表面には、少数キャリアが表面側へ移動する電界が
発生し、表面近傍領域に少数キャリアが蓄積される。試
料支持台１，凹部4a，ｏ−リング５にて囲まれた空間
へ、表面再結合速度が大きい自然酸化膜の形成を防止す
るための所定のガスをガス供給管11にて供給する。この
状態で、窒素・色素レーザ13からレーザ光を発し、蓄積
された少数キャリアに依存する、ウエハ２からのルミネ
ッセンス光を分光器16を経て光電子増倍管17で受光す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導電率が異なる層
を有する半導体ウエハの評価方法及びその実施に使用す
る装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ（大規模集積回路）に使用される
シリコンウエハ等の半導体ウエハは、一般に 500〜800
μｍの厚みを有するが、ＬＳＩのデバイス特性に影響を
与えるのは表面から約10μｍの深さまでの結晶品質であ
る。近年、ＬＳＩの高性能化に伴い、表面から10μｍま
では10Ωcmとし、10μｍよりも深い領域は0.01Ωcm以下
のシリコンウエハ、所謂エピタキシャルウエハが多用さ
れつつある。また高速演算用ＬＳＩには、約２μｍ厚
で、不純物濃度10¹⁷／cm³ であるGaAs層を、半絶縁性Ga
As基板上に成長させたエピタキシャルウエハが用いられ
ている。

【０００３】このような半導体ウエハの良否を評価する
方法の１つとして、ライフタイム測定法がある。ライフ
タイム測定法は、レーザ光などの励起光を用いてウエハ
内にキャリアを発生させて、そのキャリアが消滅する過
渡現象を検出するものである。半導体は、外部からレー
ザ光などのエネルギを受けると、定常状態より多いキャ
リア（ｐ型では電子、ｎ型では正孔）が発生し、その一
方で定常状態の密度になるように電子と正孔とが再結合
する。このときルミネッセンス光が放射される。そして
レーザ光の照射を停止した後のルミネッセンス光の時間
変化からライフタイムを求める。ここで結晶欠陥が存在
する場合は、発生したキャリアが一旦結晶欠陥に捕らわ
れてから再結合する。そうすると放射されるルミネッセ
ンス光の波長は、結晶欠陥がない、正常な再結合時のそ
れより長くなり、検出対象である特定波長から外れるた
め検出されない。従ってルミネッセンス光の時間変化が
速くなり、その変化率、即ちライフタイムの値から結晶
欠陥の有無を評価することができる。

【０００４】しかしながら上述したようなエピタキシャ
ル構造を有するウエハでは、表面領域のライフタイムと
深部（基板）のライフタイムとが異なるが、励起光によ
って少数キャリアが発生し拡散する領域は比較的深い領
域であるため、半導体ウエハの薄層表面部分の品質を評
価することは困難である。特に上述したように半導体基
板の抵抗率を小さくしたエピタキシャル構造では、半導
体基板中の少数キャリアが極めて多くなり、ここでのル
ミネッセンス光が支配的になるために、表面部分のルミ
ネッセンス光の測定は困難である。

【０００５】そこで半導体のバンドギャップより大きい
エネルギを持つ励起光を用いて半導体薄層表面近傍に電
子正孔対を発生させ、この再結合により発光する特定波
長の強度を検出し、その強度から半導体薄層のライフタ
イムを評価する方法が、特開平８−139146号公報に開示
されている。

【０００６】図３は、バンドギャップより大きいエネル
ギを持つ励起光を用いる考え方をもとに、従来のルミネ
ッセンス光の時間変化からライフタイムを測定する装置
の構成を示す模式図である。試料であるシリコンのバン
ドギャップ1.08eVより大きいエネルギ、例えば約2.５eV
のレーザ光を、窒素・色素レーザ13（窒素・色素一体型
レーザ光源、パルス発振、波長 481nm) にてシリコンウ
エハ33の表面に、ミラー15a, 15aを介して照射し、シリ
コンウエハ33の表面近傍に少数キャリアを発生させる。
そうするとシリコンウエハ33の表面からルミネッセンス
光が放射され、これをレンズ14を介して分光器16へ入射
せしめる。分光器16で分光された光（例えば1.14μｍの
波長成分）は、一端が接地された抵抗18に接続された光
電子増倍管17で検出され、アンプ19で増幅された後、オ
シロスコープ20へ与えられる。

【０００７】パルス発振の窒素・色素レーザ13によるレ
ーザの照射においてレーザ光の照射がない期間では、少
数キャリアは減衰するので、ルミネッセンス光も減少す
る。この減衰をオシロスコープ20で計測し、その強度変
化率から少数キャリアのライフタイムを算出する。ライ
フタイムが所定値以下であるシリコンウエハは不良品で
あると判定される。表面領域のライフタイムと、それよ
り深い領域のライフタイムとは異なるが、この方法では
励起光の波長を短くすることにより、励起キャリアが発
生する領域を浅くすることができ、基板の影響を除去す
ることができるとされている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら少数キャ
リアの拡散長は数百μｍと大きく、表面で発生したキャ
リアは内部へ拡散する。これにより上述した如く基板中
のキャリアが多くなるため、ＬＳＩのデバイス特性に影
響を与える表面近傍のライフタイムを独立して測定する
ことは困難である。また測定前に、一般的な洗浄液であ
るＨＦを含む溶液で洗浄した場合、測定値が図４に示す
ように低下し、安定した測定結果が得られないという問
題がある。そのため、評価のためのデバイスを別のウエ
ハを用いて試作し、そのウエハの結晶品質を判断してい
るのが現状であり、その試作日数が長いこと、及び試作
コストが高いことが問題である。

【０００９】本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたも
のであり、半導体ウエハの表面が自然酸化膜形成防止材
にて覆われ、半導体ウエハに所定の電界が印加された状
態で励起された少数キャリアを発生させることにより、
エピタキシャル構造を有する半導体ウエハであっても正
確にそのライフタイムを測定することが可能な半導体ウ
エハの評価方法及びその実施に使用する装置を提供する
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】ライフタイム測定値の不
安定性について、結晶的に単一構造であるウエハを用い
て解析を行った。イオン発生器を用いてウエハ表面にイ
オンを照射しウエハ表面の帯電状態を制御すると、照射
時間、即ち帯電量に応じてライフタイムが変化すること
が実験的に見出された。従って、測定値の不安定性はウ
エハ表面の電位の変化に依存するといえる。

【００１１】またイオン照射によって、ある一定のウエ
ハ表面の帯電状態でもライフタイムは時間的に変化す
る。10％フッ酸による洗浄直後のライフタイムの測定値
は、酸素雰囲気中において900 ℃で熱処理して酸化膜を
形成した場合と同じ値を示すが、そのまま空気中に放置
してウエハ表面に自然酸化膜が形成されると、それにつ
れてライフタイムの測定値が減少した。このライフタイ
ムの減少率は自然酸化膜の成長速度の変化に応じて変化
することが実験的に分かった。常温で形成される自然酸
化膜との界面ではウエハ表面に欠陥が非常に多く存在
し、900 ℃の酸素雰囲気中で形成された酸化膜との界面
では非常に少ないことが知られている（超ＬＳＩプロセ
スデータハンドブック，サイエンスフォーラム出版，昭
和57年）。これよりライフタイムの減少は、ウエハ表面
における結晶欠陥を介した電子と正孔との再結合が原因
であることが判明した。

【００１２】以上よりイオン照射による測定値は、ウエ
ハ表面の再結合の状況を反映しており、励起された少数
キャリアがウエハ表面近傍領域に閉じ込められているこ
とを示す。従って励起光により発生した少数キャリアを
表面側に蓄積されるような電界を表面近傍に印加する
と、表面近傍のみの結晶における少数キャリアのライフ
タイムの測定が可能であると考えられる。そこで本発明
は以下のような構成とする。

【００１３】請求項１，３記載の発明は、半導体ウエハ
に光を照射することにより放射されるルミネッセンス光
を受光し、その分光に基づいて半導体ウエハを評価する
方法及び装置において、半導体ウエハの表面に所定の電
界を印加し、この状態で半導体ウエハに光を照射するこ
とを特徴とする。

【００１４】ウエハ表面に電界を印加することにより、
励起光により発生した少数キャリアをウエハ表面側に移
動させ、ここに蓄積することができる。

【００１５】請求項２記載の発明は、半導体ウエハの表
面を自然酸化膜形成防止材にて覆い、該自然酸化膜形成
防止材にて覆われた半導体ウエハの表面に所定の電界を
印加することを特徴とする。

【００１６】表面に自然酸化膜が形成されると、この界
面に結晶欠陥が多く存在し、表面における電子と正孔と
の再結合速度を大きくさせ、ライフタイムを減少させ
る。そこでウエハ表面を自然酸化膜形成防止材で覆って
自然酸化膜の形成を抑制し、欠陥の増加を抑制すること
が重要である。この自然酸化膜形成防止材は、膜、液
体、気体のいずれでもよい。

【００１７】請求項４記載の発明は、前記半導体ウエハ
の表面を自然酸化膜形成防止材にて覆う手段を備えるこ
とを特徴とする。

【００１８】自然酸化膜形成防止材が膜である場合、こ
の膜形成とウエハの評価とを同じ装置で連続的に実施す
ることができる。自然酸化膜形成防止材が液体又は気体
である場合は、該手段はこれらをウエハ表面に供給する
手段とする。これにより半導体ウエハが自然酸化膜形成
防止材で覆われた状態を得ることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明をその実施の形態を
示す図面に基づき具体的に説明する。図１は本発明に係
る半導体ウエハの評価装置の構成を示す模式的縦断面図
である。図中１は、試料であるウエハ２を真空チャック
で固定するためのセラミックス製の試料保持台である。
試料保持台１とウエハ２との間にはＩｎ箔（100 μｍ
厚）からなる電極３が挿入されている。試料保持台１の
縁部にはｏ−リングの半部を装嵌するための凹部1aが形
成されている。

【００２０】試料保持台１の上には、下面に凹部4aを有
する石英製の電極保持台４が、凹部1aに装嵌されたｏ−
リング５を介して載置されている。凹部4aには、例えば
蒸着法により約50nm厚のＰｔからなる電極６が形成され
ている。電極３に接続された電極端子８、及び電極６に
接続された電極端子７は、試料保持台１内を貫通して引
き出してある。また真空チャックのための真空管９が試
料保持台１内を貫通して引き出してある。さらに試料保
持台１，凹部4a，ｏ−リング５にて囲まれた空間へ所定
のガスを供給するためのガス供給管11、及びここからガ
スを排出するためのガス排出管12が試料保持台１を貫挿
している。

【００２１】電極保持台４の斜め上方には、ウエハ２へ
レーザ光を照射するための窒素・色素レーザ13が設けら
れており、電極保持台４の上方にはウエハ２により放射
されたルミネッセンス光を集光するレンズ14、及びレン
ズ14にて集光された光を反射するミラー15b が設置され
ている。ミラー15b にて反射された光は分光器16へ入射
するようになしてある。分光器16で分光された光（例え
ば1.14μｍの波長成分）は、一端が接地された抵抗18に
接続された光電子増倍管17で検出され、アンプ19で増幅
された後、オシロスコープ20へ与えられる。

【００２２】電極保持台４の材質及び電極６の材質及び
厚みは、レーザ光、及びシリコンウエハ２からのルミネ
ッセンス光（1.10〜1.15μｍの波長）を透過するように
選択されている。電極６の抵抗率を低減するために、レ
ーザ光，ルミネッセンス光が透過しない位置でのＰｔ
（電極６）の厚みは約１μｍとしておく。

【００２３】このように構成された装置における半導体
ウエハの評価方法について説明する。先ず試料保持台１
に、エピタキシャル構造のｐ型シリコンウエハ２を載置
し、電極３，６間に所定の電圧を印加する。またガス供
給管11にて所定のガスを供給する。この状態で、窒素・
色素レーザ13により発せられたレーザ光は、電極保持台
４及び電極６を透過してウエハ２を照射する。そうする
と、レーザ光により少数キャリアである電子が発生し、
ルミネッセンス光が放射されるが、このときウエハ２の
表面には電界が生じているので、図２に示す如く、少数
キャリアである電子は表面側へ移動し、ここで蓄積され
ている。従ってこの蓄積された少数キャリアに依存する
ルミネッセンス光がウエハ２の表面から放射される。放
射されたルミネッセンス光は、レンズ14にて集光され、
ミラー15b にて反射されて分光器16へ入射する。そして
分光器16で分光された光（例えば1.14μｍの波長成分）
は、光電子増倍管17で検出され、アンプ19で増幅された
後、オシロスコープ20へ与えられる。オシロスコープ20
はこの信号を計測し、その強度の時間変化率から少数キ
ャリアのライフタイムを算出する。

【００２４】上述した如く、ウエハ２の表面で発生した
少数キャリアは表面近傍に蓄積されているので、レーザ
光による励起が停止している期間では、少数キャリアは
蓄積されている領域のみで減衰する（再結合する）。従
って放射されるルミネッセンス光は表面近傍の再結合に
よるものであり、ウエハ２の深部にある基板の結晶性、
導電率の影響をほとんど受けることなく、表面近傍のラ
イフタイムを独立して測定することができる。

【００２５】

【実施例】

実施例１．基板の抵抗値が0.01Ωcmであり、15μｍ厚の
エピタキシャル層の抵抗値が10Ωcmであるシリコンエピ
タキシャル構造のｐ型のウエハ２のライフタイムを、従
来装置及び本発明装置を用いて測定した。先ず、ウエハ
２を試料保持台１上に載置する。いずれの装置で測定さ
れるウエハ２の表面にも、自然酸化膜の形成を抑制する
ために、酸素雰囲気で900 ℃の熱処理により予め約10nm
の酸化膜が形成されている。そして本発明装置において
は、ｐ型のウエハ２のために、電極３，６間に正の10Ｖ
の直流電圧を印加する。またガス供給管11により窒素ガ
スを約１気圧で供給する。

【００２６】その結果、従来装置で得られたライフタイ
ムの測定値は、基板のライフタイムと略同じ約８マイク
ロ秒であったが、本発明装置では約 200マイクロ秒とい
う値が得られた。これは本発明装置では適正な電界が印
加されていることにより、図２に示す如く、ｐ型半導体
の少数キャリアが表面近傍に蓄積されたためであると考
えられる。また一定の電圧が安定して印加されているの
で、従来のように少数キャリアの蓄積領域が静電気等の
影響、即ちウエハ表面の帯電状態の変化により測定値が
変化することが抑制され、測定精度が向上している。こ
のような測定を３日間に渡って実施したところ、従来装
置では約100 ％のばらつきが生じたが、本発明装置にお
けるばらつきは10％以下であった。

【００２７】実施例２．実施例１におけるような酸化膜
が形成されていないウエハ２を測定する場合には、ウエ
ハ２における表面再結合速度を大きくさせる自然酸化膜
の形成を防止するため、ＨＦを含む窒素ガスをガス供給
管11にて供給し、その他は実施例１と同様にして測定す
る。その結果、実施例１と同様の結果が得られた。

【００２８】実施例３．同じく自然酸化膜の形成を防止
するために、約１％の希フッ酸溶液で測定空間を満たし
た状態で電界を印加する。この場合、ガス供給管11に代
えて液体供給管21を配設し、ガス排出管12に代えて液体
排出管22を備える。その他は実施例１と同様に実施す
る。この場合も、同様の結果が得られることが分かっ
た。

【００２９】実施例４．予め、室温において所定の電界
を印加することにより、自然酸化膜の形成を防止するた
めの陽極酸化膜をウエハ２の表面に形成した後、同様に
ライフタイムを測定する。陽極酸化膜の形成時は液体供
給管21から電解液（ＫＮＯ₃ 添加エチレングリコール
液）を供給する。本実施例では上述と同様の効果に加え
て、同装置において膜形成及び測定が行えるという利点
がある。

【００３０】実施例５．ガス供給管11，ガス排出管12に
代えて、液体供給管21，液体排出管22を備える装置にお
いて、供給する液体をエッチング液とする。そして所定
の電界を印加してウエハ２の表面をエッチングしなが
ら、同様にライフタイムの測定を行う。この場合は、結
晶品質の深さ方向分布を同装置において測定することが
できる。即ちエピタキシャル層を除去した基板のライフ
タイムを測定することができるので、エピタキシャル層
のライフタイムが基板の影響を受けていないことを確認
することができる。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明に係る半導体ウエハ
の評価方法及び装置は、半導体ウエハの表面が自然酸化
膜形成防止材にて覆われ、半導体ウエハに所定の電界が
印加された状態で励起された少数キャリアを発生させる
ことにより、少数キャリアをウエハ表面側に移動させ、
ここに蓄積することができ、エピタキシャル構造を有す
る半導体ウエハであっても高精度にそのライフタイムを
測定することが可能である等、本発明は優れた効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体ウエハの評価装置の構成を
示す模式的縦断面図である。

【図２】本発明方法による測定時のウエハにおけるキャ
リア分布を説明する図である。

【図３】従来装置の構成を示す模式図である。

【図４】従来方法により測定したライフタイムの経時変
化を示すグラフである。

【符号の説明】

２ ウエハ ３，６ 電極 11 ガス供給管 12 ガス排出管 13 窒素・色素レーザ 16 分光器 21 液体供給管 22 液体排出管

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体ウエハに光を照射することにより
   放射されるルミネッセンス光を受光し、その分光に基づ
   いて半導体ウエハを評価する方法において、半導体ウエ
   ハの表面に所定の電界を印加し、この状態で半導体ウエ
   ハに光を照射することを特徴とする半導体ウエハの評価
   方法。
2. 【請求項２】 半導体ウエハの表面を自然酸化膜形成防
   止材にて覆い、該自然酸化膜形成防止材にて覆われた半
   導体ウエハの表面に所定の電界を印加することを特徴と
   する請求項１記載の半導体ウエハの評価方法。
3. 【請求項３】 半導体ウエハに光を照射することにより
   放射されるルミネッセンス光を受光し、その分光に基づ
   いて半導体ウエハを評価する装置において、半導体ウエ
   ハの表面に所定の電界を印加する手段と、所定の電界が
   印加された状態で半導体ウエハに光を照射する手段と、
   該半導体ウエハから放射されるルミネッセンス光を受光
   し分光する手段とを備えることを特徴とする半導体ウエ
   ハの評価装置。
4. 【請求項４】 前記半導体ウエハの表面を自然酸化膜形
   成防止材にて覆う手段を備えることを特徴とする請求項
   ３記載の半導体ウエハの評価装置。