JPH11173988A

JPH11173988A - 結晶欠陥評価方法

Info

Publication number: JPH11173988A
Application number: JP9346054A
Authority: JP
Inventors: Kohei Sugihara; 康平杉原
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-12-16
Filing date: 1997-12-16
Publication date: 1999-07-02

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体の基板表面に導入された結晶欠陥の種
類と密度と深さ方向の分布とを同時に測定可能にする。【解決手段】結晶欠陥が導入された半導体１１にレー
ザービーム１３を照射し、半導体１１から発せられるル
ミネッセンス光１７をエネルギーまたは波長別に解析し
結晶欠陥に起因する発光ピークを得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体の基板表
面に導入された結晶欠陥の種類と密度と深さ方向の分布
とを同時に測定する結晶欠陥評価方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造分野では、高集積
化や低電力化のためにますます微細化が進んでいる。微
細化が進むと、これまで問題とならなかった程度の結晶
欠陥がデバイス特性に影響を及ぼすようになってくる。
結晶欠陥はさまざまな製造工程で導入される。例えば、
熱処理工程やイオン注入工程、プラズマ処理工程であ
る。プラズマ処理工程としては、ドライエッチング工程
やアッシング工程がある。これらの工程で導入される結
晶欠陥は電気的に活性で電子の発生や再結合中心として
働くために、デバイスに悪影響を及ぼす。結晶欠陥の種
類によってデバイスへの影響の程度が異なる。したがっ
て、結晶欠陥の種類およびその量を定量的に把握するこ
とは非常に重要なことである。

【０００３】図５は従来の電気的な結晶欠陥評価方法を
示す概念図である。図５において、１は半導体である。
通常の半導体デバイス製造工程では、半導体１としてシ
リコン基板が用いられる。２は半導体１とオーミック接
触を得るための金属で、半導体１に接触している。半導
体１としてシリコンを用いた場合、金属２はアルミニウ
ムを用いることができる。３は半導体１と金属２に電流
を流すための電源装置、４は半導体１と金属２に流れる
電流を計測する電流計、５は半導体１と金属２にかかる
電圧を測定する電圧計、６は半導体１と金属２と電源装
置３と電流計４と電圧計５とを電気的に結ぶための金属
配線である。

【０００４】図５に基づいて、従来の電気的な結晶欠陥
評価方法を説明する。半導体１としてＰ型シリコン、金
属２としてアルミニウムを用いた場合について説明す
る。金属２側に負の電圧が印加されるように電源装置３
を調整する。このとき半導体１と金属２はオーミック接
触になっているので、電圧に比例して電流が流れる。金
属２側に正の電圧が印加される場合も同様で、電圧の絶
対値に比例して電流の絶対値は増加する。このときの電
流−電圧の関係を示す摸式図を図６に示す。半導体１の
表面近傍に結晶欠陥が存在する場合には、半導体１と金
属２の接触がオーミック接触からショットキー接触に変
化してしまう。それにともなって図６に示すように電流
は電圧に比例しなくなる。この電流−電圧曲線の変化か
ら半導体１の表面近傍に結晶欠陥が存在するかどうかの
判定を行う。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の方法では、電流−電圧特性からは結晶欠陥の有無
はわかるが、欠陥の種類や分布は解析できないという問
題点を有していた。また、半導体１上に金属２を形成す
る必要があり、通常スパッタリングもしくは蒸着などの
方法を用いるために評価試料作製に時間がかかってい
た。

【０００６】この発明の目的は、迅速かつ非破壊で、半
導体表面近傍および内部の結晶欠陥の有無と欠陥の種
類、密度、深さ方向分布とを解析できる結晶欠陥評価方
法を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の結晶欠陥評価方
法は、レーザービームを結晶欠陥が導入された半導体に
照射し、半導体から発せられるルミネッセンス光をエネ
ルギーまたは波長別に解析し、ルミネッセンス光のエネ
ルギー位置とピーク強度とピークの半値幅が０．１ｅＶ
より大きいか小さいかとを判別することを特徴とする。

【０００８】本発明によれば、半導体にレーザービーム
を照射することによって特定のエネルギーをもつルミネ
ッセンス光がピークとして観測される。ルミネッセンス
光のピーク位置とピークの半値幅とは結晶欠陥の種類を
反映しており、またルミネッセンス光のピーク強度は結
晶欠陥の密度を反映しているので、ルミネッセンス光を
解析することにより、非破壊で半導体表面近傍に導入さ
れた結晶欠陥の情報を得ることができる。

【０００９】また、本発明の結晶欠陥評価方法は、半導
体表面にダウンフロー形式でエッチング性のガスを照射
し、半導体表面を削りながらルミネッセンス光を解析す
ることが好ましい。すなわち、エッチング性のガスで半
導体表面を精度よく削ることで、結晶欠陥の深さ方向の
分布および特性の変化を評価することができる。

【００１０】また、本発明の結晶欠陥評価方法は、レー
ザービームとともにＸ線ビームを半導体表面に同時に照
射し、このＸ線ビームが半導体の表面で回折された回折
Ｘ線とルミネッセンス光とを同時に検出することが好ま
しい。Ｘ線ビームを照射した半導体表面から回折される
回折Ｘ線の強度は半導体表面の結晶性および格子歪を反
映しているので、ルミネッセンス光と回折Ｘ線とを同時
に測定することにより、結晶欠陥の光学的な特性と物理
的な格子歪量との対応を明確に評価することができる。

【００１１】また、本発明の結晶欠陥評価方法は、Ｘ線
ビームの入射角度を変化させることにより半導体に侵入
するＸ線ビームの侵入深さを変えることが好ましい。Ｘ
線が深く侵入すると深いところの格子歪が測定できるた
め、連続的にＸ線の入射角度を変えて回折Ｘ線の強度を
測定することにより、格子歪の深さ方向分布を評価する
ことができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施形態に
ついて、図面を参照しながら説明する。

【００１３】図１は本発明の第１の実施の形態における
結晶欠陥評価方法を示す概念図である。図１において、
１１は半導体、１２は半導体１１の中の電子を励起する
ためのレーザー発生装置、１３はレーザー発生装置１２
から発生するレーザービーム、１４は信号処理のために
レーザービーム１３をチョッピングするためのチョッパ
ー、１５は半導体１１を冷却するための液体である。通
常、液体１５としては液体ヘリウムまたは液体窒素が用
いられる。１６は半導体１１と液体１５を保持するため
のガラス容器である。１７はレーザービーム１３が半導
体１１に照射されることによって発生するルミネッセン
ス光、１８はルミネッセンス光１７を絞るための凸レン
ズ、１９は凸レンズ１８によって絞られたルミネッセン
ス光１７を分光するための分光装置、２０はチョッパー
１４からの信号と分光装置１９からの信号とを同期させ
て微弱な信号を解析するロックインアンプ、２１はロッ
クインアンプ２０からの信号をアナログからデジタルデ
ータに変換するＡＤ変換器、２２はＡＤ変換器２１から
の信号をデータ解析するコンピュータシステムである。

【００１４】まず、液体１５によって十分低温に冷却さ
れた半導体１１に対して、レーザー発生装置１２からレ
ーザービーム１３が照射される。半導体１１の中の電子
はレーザービーム１３の照射によって励起され、ある時
間の経過後に正孔と再結合して消滅する。このとき再結
合エネルギーをルミネッセンス光１７として外部に放出
する。ルミネッセンス光１７は凸レンズ１８によって絞
られ、分光装置１９に導かれる。分光装置１９で分光さ
れた光はロックインアンプ２０に入る。ルミネッセンス
光１７は非常に微弱なので、ロックインアンプ２０内で
チョッパー１４からの信号と同期をとってノイズと区別
される。ロックインアンプ２０から出た信号はＡＤ交換
器２１でデジタルデータに変換され、コンピュータシス
テム２２で解析処理される。

【００１５】図２に半導体１１としてシリコンを用いた
ときの典型的なデータを示す。図２の中のＦＥまたはＢ
Ｅとラベルしたピークは、それぞれ半導体１１にレーザ
ービーム１３が照射された際に生成された自由励起子が
再結合するときの発光と、励起子が不純物原子（例えば
リンやボロン）に束縛された状態で再結合するときの発
光である。どちらが観測されるかは、測定時の温度とレ
ーザービーム１３の強度に依存する。一般に測定時の温
度が低いとき（液体ヘリウム温度など）には、ＢＥが観
測され、温度が高いとき（液体窒素温度や室温など）に
はＦＥが観測される。これらの発光はシリコン固有のも
のであり、そのエネルギーはシリコンの禁止帯のエネル
ギー幅にほぼ等しく、約１．１ｅＶである。

【００１６】半導体１１の表面近傍または内部に結晶欠
陥がある場合には、図２の中に示したＦＥまたはＢＥと
ラベルした励起子の発光エネルギーよりも低いエネルギ
ー側に発光ピークが現れる（図２においてＥとラベルし
た）。これは結晶欠陥が禁止帯の中にエネルギー準位を
形成し、発光ピークのエネルギー位置が価電子帯の端か
ら結晶欠陥によって形成されたエネルギー準位までのエ
ネルギー差に対応しているためである。禁止帯の中のエ
ネルギー準位は結晶欠陥の種類によって異なる。シリコ
ン中に炭素や酸素などの不純物が混入したとき形成され
る結晶欠陥においては不純物の種類によってエネルギー
位置が異なる。また熱処理やプラズマ処理において発生
する格子歪を伴う結晶欠陥においては歪量によってエネ
ルギー位置が異なる。したがって、結晶欠陥による発光
ピークのエネルギー位置を調べることにより、どのよう
な種類の結晶欠陥であるかが解析できる。また、発光ピ
ークの強度は結晶欠陥の密度に比例するので、結晶欠陥
の種類と同時に密度も解析できる。

【００１７】さらに、発光ピークの半値幅（図２の中で
ｄとラベルした）から結晶欠陥の種類についての情報が
わかる。不純物に起因する結晶欠陥の場合は特定の原子
位置に不純物が入って結晶欠陥が形成されるため、禁止
帯の中に形成されたエネルギー準位も一意的に決まる。
すなわちエネルギー準位の幅が小さい。しかし、格子歪
による結晶欠陥の場合には、格子が歪んだところを中心
として連続的に格子歪が緩和されていく。そのため、禁
止帯の中に形成されたエネルギー準位も連続的に変化
し、あるエネルギー幅をもつ。通常、不純物に起因する
結晶欠陥と格子歪による結晶欠陥とを区別する発光ピー
クの半値幅は０．１ｅＶである。したがって、発光ピー
クの半値幅が０．１ｅＶよりも大きいか小さいかを判定
することにより、結晶欠陥の種類を明確に区別すること
ができる。

【００１８】以上を簡単にまとめると、半導体１１に照
射されたレーザービーム１３によって発生するルミネッ
センス光１７を検出し、エネルギーまたは波長ごとに強
度を測定する分光装置１９が設置されている。このと
き、半導体の禁止帯のエネルギー幅に対応する発光ピー
クと結晶欠陥に起因する発光ピークとが観測される。結
晶欠陥は半導体の禁止帯の中に特定のエネルギー準位を
形成し、これは発光ピークのエネルギーと対応している
ので、発光ピークのエネルギー位置から結晶欠陥の種類
を同定できる。また、発光ピークの強度は結晶欠陥の密
度（量）に比例するので、発光ピークのエネルギー位置
と強度を測定することにより、結晶欠陥の種類と量を同
時に解析できる。

【００１９】さらに、不純物に起因する結晶欠陥の場合
は、特定の原子位置に不純物が入り込むため、禁止帯中
にできるエネルギー準位の幅は小さい。一方、格子歪に
起因する結晶欠陥の場合は格子の最も歪んだ箇所を中心
に連続的に歪みが緩和されるので、それに対応して禁止
帯中にできるエネルギー準位の幅も広がる。エネルギー
準位の幅は発光ピークの幅に対応するので、発光ピーク
の半値幅を測定することにより、結晶欠陥が不純物に起
因するものか、または格子歪に起因するものかを明確に
区別することができる。このように半導体１１の表面近
傍に存在する結晶欠陥の種類と量の分析を同時に行える
ことにより、半導体デバイス製造工程のどの工程で結晶
欠陥が導入されたかがわかり、デバイスの品質管理を容
易に行うことができる。

【００２０】次に、本発明の第２の実施形態について、
図面を参照しながら説明する。以下、図３に示す本発明
の第２の実施形態の結晶欠陥評価方法について説明す
る。

【００２１】３１は半導体、３２は半導体３１に照射さ
れるレーザービーム、３３はレーザービーム３２が半導
体３１に照射されることによって発生するルミネッセン
ス光、３４は半導体３１の表面をエッチングするための
ガスで、例えば半導体３１としてシリコンを用いた場合
には、ＣＦ₄とＯ₂の混合プラズマガスが使用される。３
５は半導体３１表面にガス３４を照射したときに生成す
る反応生成物、３６は反応生成物３５を除去するための
ガスで、半導体３１としてシリコン、ガス３４としてＣ
Ｆ₄とＯ₂混合プラズマガスを用いた場合には、炭素やフ
ッ素を含まないＯ₂プラズマガスもしくはオゾンガスが
用いられる。

【００２２】半導体３１にレーザービーム３２を照射し
たときには、レーザービーム３２は半導体３１の表面か
ら数マイクロメートルの深さまで侵入する。すなわち表
面から数マイクロメートルの深さまでの情報が得られ
る。半導体３１から発生したルミネッセンス光３３は上
記実施の形態における結晶欠陥評価方法により測定・解
析される。

【００２３】次にガス３４を半導体３１の表面にダウン
フロー形式で照射することによって半導体３１の表面を
数ナノメートルだけエッチングする。ダウンフロー形式
で半導体３１にガス３４を照射することによって、半導
体３１に損傷を与えず、また欠陥を生成せずに半導体３
１の表面を制御性よくエッチングすることができる。こ
のときガス３４と半導体３１の構成原子とが反応するこ
とによって、反応生成物３５が生成されることがある。
ガス３４に炭素とフッ素が含まれている場合には、反応
生成物３５はＣＦ_x（ｘは１〜４）であることが多い。
反応生成物３５は、その後の結晶欠陥評価において、レ
ーザービーム３２の侵入深さを変化させる要因になるの
で除去することが望ましい。したがって、ガス３６を半
導体３１の表面にダウンフロー形式で照射し、反応生成
物３５を除去する。その後に再度、図３（ａ）に示す結
晶欠陥評価方法で結晶欠陥を測定し、半導体３１の表面
を数ナノメートルずつエッチング、結晶欠陥評価という
工程を繰り返すことにより、半導体３１の表面から深さ
方向の結晶欠陥の分布を測定することができる。

【００２４】次に、本発明の第３の実施形態について、
図面を参照しながら説明する。以下、図４に示す本発明
の第３の実施形態の結晶欠陥評価方法について説明す
る。

【００２５】４１は半導体、４２は半導体４１の表面に
照射するＸ線ビーム、４３はＸ線ビーム４２が半導体４
１の表面の格子面で回折された回折Ｘ線、４４は半導体
４１に照射するレーザービーム、４５はレーザービーム
４４が照射された半導体４１の表面から発生するルミネ
ッセンス光である。Ｘ線ビーム４２を半導体４１の表面
に浅く入射させると回折Ｘ線４３が観測される。Ｘ線ビ
ーム４２の侵入深さは、入射角度によって変化する。入
射角度が深くなるとＸ線ビーム４２の侵入深さは深くな
る。したがって、Ｘ線ビーム４２の半導体４１の表面へ
の入射角度を変化させることによりＸ線ビーム４２の侵
入深さを連続的に変えることができる。半導体４１とし
てシリコン、Ｘ線ビーム４２としてＣｕ−Ｋα線を用い
たときには、半導体４１の回折面として（３１１）面や
（５１１）面などを利用できる。（３１１）面は入射角
度が浅い場合、（５１１）面は入射角度が深い場合に用
いる。

【００２６】半導体４１の表面に欠陥がなく、すなわち
結晶性がよい場合には回折Ｘ線４３は明確なピークとし
て観測されるが、半導体４１の表面に欠陥が存在する場
合には回折に寄与する格子面が少なくなるため回折Ｘ線
４３の強度は弱くなる。したがって、回折Ｘ線４３の強
度をモニタすることによって、格子歪を定量的に評価で
きる。Ｘ線ビーム４２と同時にレーザービーム４４を半
導体４１の表面に照射するとルミネッセンス光４５が観
測される。ルミネッセンス光４５を解析することによっ
て、半導体４１の表面近傍に含まれる結晶欠陥の種類と
密度が分かり、回折Ｘ線強度から物理的な格子歪の量が
同時にわかるので、格子歪と結晶欠陥の光学的特性の対
応を明確にすることができ、半導体プロセスで欠陥を低
減する際に役立つ。

【００２７】

【発明の効果】以上のように本発明の結晶欠陥評価方法
は、レーザービームを結晶欠陥が導入された半導体に照
射し、半導体から発せられるルミネッセンス光を波長別
に解析し、ルミネッセンス光のエネルギー位置とピーク
強度とピークの半値幅が０．１ｅＶより大きいか小さい
かとを判別することにより、非破壊で半導体表面近傍に
導入された結晶欠陥の種類と密度とを同時に測定するこ
とができる。

【００２８】さらに、半導体表面にダウンフロー形式で
エッチング性のガスを照射し、半導体表面を削りながら
ルミネッセンス光を解析することにより、結晶欠陥の深
さ方向の分布および特性の変化を評価することができ
る。

【００２９】また、レーザービームとともにＸ線ビーム
を半導体表面に同時に照射し、Ｘ線ビームが半導体の表
面で回折された回折Ｘ線とルミネッセンス光とを同時に
検出することにより、結晶欠陥の光学的な特性と物理的
な格子歪量との対応を明確に評価することができる。

【００３０】また、Ｘ線ビームの入射角度を変化させる
ことにより半導体に侵入するＸ線ビームの侵入深さが変
化し、格子歪の深さ方向分布を知ることができる。格子
歪の深さ方向分布と結晶欠陥の種類および密度の深さ方
向分布とを対応させることにより、より詳しい結晶評価
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態における結晶欠陥評価
方法を示す概念図

【図２】本発明の第１の実施形態における結晶欠陥評価
方法により得られる測定結果を示す図

【図３】本発明の第２の実施形態における深さ方向の結
晶欠陥分布を評価する方法を示す図

【図４】本発明の第３の実施形態における半導体表面の
結晶性と結晶欠陥を同時に評価する方法を示す概念図

【図５】従来の結晶欠陥評価方法を示す概念図

【図６】従来の結晶欠陥評価方法で得られる測定結果を
示す図

【符号の説明】

１１、３１、４１半導体１２レーザー発生装置１３、３２、４４レーザービーム１４チョッパー１５液体１６ガラス容器１７、３３、４５ルミネッセンス光１８凸レンズ１９分光装置２０ロックインアンプ２１ＡＤ変換器２２コンピュータシステム３４、３６ガス３５反応生成物４２Ｘ線ビーム４３回折Ｘ線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザービームを結晶欠陥が導入された
半導体に照射し、前記半導体から発せられるルミネッセ
ンス光をエネルギーまたは波長別に解析し、前記ルミネ
ッセンス光のエネルギー位置とピーク強度とピークの半
値幅が０．１ｅＶより大きいか小さいかとを判別するこ
とを特徴とする結晶欠陥評価方法。
【請求項２】前記半導体の表面をエッチング性のガス
でダウンフロー形式で削りながらルミネッセンス光を測
定することを特徴とする請求項１に記載の結晶欠陥評価
方法。
【請求項３】前記レーザービームとともにＸ線ビーム
を前記半導体の表面に同時に照射し、前記Ｘ線ビームが
前記半導体の表面で回折された回折Ｘ線とルミネッセン
ス光とを同時に検出することを特徴とする請求項１、２
に記載の結晶欠陥評価方法。
【請求項４】前記Ｘ線ビームの入射角度を変化させて
前記半導体の表面に照射することを特徴とする請求項３
に記載の結晶欠陥評価方法。