(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体結晶からなる試料表面に、前記試料のバンドギャップＶg未満のエネルギーを有する第一のレーザー光を照射すると共に、前記試料表面に前記バンドギャップＶg以上のエネルギーを有する第二のレーザー光を照射し、この第一及び第二のレーザー光を受けた前記試料の散乱光を検出する方法であって、
前記第一及び第二のレーザー光を照射する際に、前記第二のレーザー光の強度を変えることにより、前記第一のレーザー光が入射する試料表面からの深さを変えることを特徴とする結晶欠陥検出方法。
【請求項２】
上記第二のレーザー光のエネルギー値、強度及び試料の不純物濃度より、検出している結晶欠陥の試料表面からの深さを算出することを特徴とする請求項１記載の結晶検出方法。
【請求項３】
上記第一及び第二のレーザー光を照射する際に、第二のレーザー光を吸収した励起状態のキャリアがある領域に、第一のレーザー光を入射させることを特徴とする請求項１記載の結晶欠陥検出方法。
【請求項４】
上記第一のレーザー光の波長は、１．９μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の結晶欠陥検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板における結晶欠陥の検出方法、及びその検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
デバイスの微細化に伴い、半導体基板の結晶欠陥によるデバイスへの悪影響が無視できなくなっている。このため、結晶欠陥の発生防止を進めると共に、結晶欠陥の正確な評価が必要とされている。
【０００３】
周知のように、結晶欠陥の基本的評価方法の一つに、レーザー光散乱トモグラフィーがある。このうち代表的な二方法を、Si基板の酸素析出物（BMD ：Bulk Micro Defect ）の評価を例に、以下に説明する。
【０００４】
( 方法1)  図３のようにレーザー装置32a から出力した赤外レーザーをフィルター32b にかけた後、へき開したSi基板31側面に入射させる。Si基板31の結晶欠陥による散乱光をフィルター34b でノイズをとる。この散乱光を、入射光に対し、迷光及び散乱像のゆがみが少ない角度90°にある検出器34a で検出し、結晶欠陥の空間分布を測定する。
【０００５】
( 方法2)  図４のようにレーザー装置42a から出力した赤色レーザーをフィルター42b にかけた後、Si基板41に斜め上方から入射させた後、基板41からの散乱光を、フィルター44b にかけた後、Si基板41表面に対し垂直方向にある検出器44a で検出し、結晶欠陥の空間分布を測定する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記、二方法における問題点を以下に述べる。
( 方法１)   この方法を適用するには、試料となる半導体基板のへき開が必要となる。従って、製造工程中にある半導体基板の結晶欠陥の評価には適さない。又、へき開による表面における散乱の影響より、半導体基板の表層における結晶欠陥の評価には適さない。
【０００７】
( 方法２)   半導体基板41における入射光の深さは、入射光の波長により決まるため、BMD の深さ分布を測定できない。
そこで、本発明は、上記問題を解決し、半導体基板を損傷することなく、半導体基板（特にその表層）における結晶欠陥の深さ分布を詳細に得、さらにその深さにおける結晶欠陥の大きさを測定可能にすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の結晶欠陥検出方法では、半導体結晶からなる試料表面に、前記試料のバンドギャップＶg未満のエネルギーを有する第一のレーザー光を照射すると共に、前記試料表面に前記バンドギャップＶg以上のエネルギーを有する第二のレーザー光を照射し、この第一及び第二のレーザー光を受けた前記試料の散乱光を検出する方法であって、
前記第一及び第二のレーザー光を照射する際に、前記第二のレーザー光の強度を変えることにより、前記第一のレーザー光が入射する試料表面からの深さを変えることを特徴とする。
【０００９】
仮に、試料表面を基準とし、基板の厚さ方向をＹ軸とし、第一のレーザー光のみを入射した場合の侵入深さをＹ0とすると、この場合は表面からＹ0の間の結晶欠陥が観察できる。上記方法により、試料中のキャリアは第二のレーザー光を吸収し励起状態に変わり、励起されたキャリアは第一のレーザー光を吸収する( 被吸収量は半導体基板中のキャリア濃度に依存する) 。そして、第一のレーザー光は強度が弱まり、基板に侵入する深さＹ1は、Ｙ1＜Ｙ0となり深さが変化する。
【００１０】
通常、励起したキャリアの濃度の制御は、レーザーの強度の制御より、高精度に行なえる。本発明では、励起したキャリアの濃度を制御することにより、レーザーの侵入深さを可変させることを特徴とする。このとき、励起したキャリアの濃度と第一のレーザー光の侵入深さとの関係は、あらかじめ測定しておく。
【００１１】
よって、従来検出できなかった深さにおける、結晶欠陥を測定できる。
【００１２】
尚、上記第二のレーザー光のエネルギー値、強度及び試料の不純物濃度より、検出している結晶欠陥の試料表面からの深さを算出することを特徴とする。
すなわち、第二のレーザー光を強くするほど励起キャリアは増加し、このため第一のレーザー光の被吸収量が増加し、第一のレーザー光の侵入深さが変化し、Ｙ0から表面近傍まで、Ｙ軸に対してどのように結晶欠陥が分布しているか測定できる。
【００１３】
尚、上記第一のレーザー光を照射する際に、第二のレーザー光を吸収した励起状態のキャリアがある領域に、第一のレーザー光を入射させることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の  結晶欠陥検出装置を説明する。
図１は、本実施例の結晶欠陥検出装置の概略図である。図１に示すように、この結晶欠陥検出装置は次のように構成されている。
【００１５】
半導体で構成される試料11、例えばSi基板11を支えるステージ10の一端側の斜め上方には、試料11のバンドギャップ Vg 未満のエネルギーを有する第一のレーザー光を出力する第一のレーザー装置13a 、第一のレーザー装置13a とステージ10との間には、第一のレーザー光の強度を変化させるためのフィルター13b が設けられている。他端側の斜め上方には、 Vg 以上のエネルギーを有する第二のレーザー光を出力する第二のレーザー12a 装置、第二のレーザー装置12a とステージ10との間には、第二のレーザー光の強度を変化させるためのフィルター12b が設けられている。また、試料11表面において第一のレーザー光が入射する領域に、第二のレーザー光が入射するよう、第一のレーザー装置13a 及び第二のレーザー装置12a は設けられている。
【００１６】
試料11表面に対しほぼ垂直上方には、第二のレーザー光を受けた試料11から生じる散乱光のノイズをとるフィルター14b と、この光を検出する検出器14a が設けられている。理由は、試料11における検出対象物( 本実施例では結晶欠陥) の粒径が小さい場合、散乱光の配向・強度は、試料11表面に対し垂直方向に最も高いためである。
【００１７】
尚、各レーザー装置12a,13a には、波長の制御、及び入射位置を制御するレーザー制御装置12c,13c が設けられている。
実際の測定にあたっては、このレーザー制御装置12c,13c により第一及び第二のレーザー光の入射角を変化させ、レーザー光同士の干渉を防止し、且つ検出する散乱光におけるノイズを最も低下させる、第一及び第二のレーザー装置11a 、12a の位置関係を割り出す。
【００１８】
例えば、第一のレーザー光の入射角を試料11におけるブルスター角にした場合、表面散乱によるノイズが低下するため、表面近傍の欠陥の検出に優れていることが知られている。
【００１９】
そして、その位置に第一及び第二のレーザー装置11a 、12a は固定される。
また、ステージ10には試料11の検出対象位置を変えるためのステージ制御装置15が設けられている。また、( ステージ10位置等諸条件の変化に対応する、もしくは単独に位置を変化させるため) 、検出器14a にもステージ制御装置15が設けられている。
【００２０】
そして、検出器14a が検出したデーターを画像処理装置16を通し、散乱像をモニター17で観察し、また散乱像のサイズ別、強度別の空間分布を定量的に得ることができ、その結果は、プリンター、又はイメージプリンターで出力できる。
【００２１】
尚、これら一連の動作に関し、レーザー制御装置12c,13c 、ステージ制御装置15、画像処理装置16はコンピュータ18で自動制御されている。
次に、実際に測定を行なう場合を、試料11として、CZ法で育成したＢ( ボロン) をドープしたＰ型、４ΩcmのSi基板を例に説明する。尚、測定前にSi基板11に1000℃、16時間の熱処理を行い酸素析出物(BMD) を形成させた。
【００２２】
又、常温でのSiの Vg は1.1eV （波長＝ h・c ／1.1eV ＝1.1 μm ）のため、第ニのレーザー光は赤外レーザー、第一のレーザー光としては1.9 μm 以上の波長のものを使用した。通常、赤外レーザーの波長は0.76〜0.83μm 以上1mm 以下と幅があるが、ここでは1.1 μm 以下のものを使用している。
【００２３】
ステージ10上にSi基板11を設置し、そのSi基板11表面に第一のレーザー光をフィルターに12b にかけ斜め上方から入射させると同時に、同じ領域中に第二のレーザー光をフィルター13b にかけ斜め上方から入射させる。
【００２４】
ここで、Si基板11表面から下面方向にY 軸をとり、表面をＹ＝０、第二のレーザー光を入射しない条件で第一のレーザー光が入射した深さをＹ0とおく。また、Y 軸に垂直な二つの軸を、Ｘ軸、Ｚ軸とおく。また、所定のエネルギー値及び強度( 第一の条件とおく) の第二のレーザー光を入射した条件で、第一のレーザーが入射した深さをＹ1とおく。
【００２５】
半導体の光吸収には、(1) 基礎吸収、(2)Intra-band 吸収、(3)Inter-band 吸収、(4) 励起子による吸収、(5) 不純物準位による吸収、(6) 格子振動による吸収、(7) 自由電子による吸収、がある。
【００２６】
第二のレーザー光のエネルギーは Vg より大きいため、キャリアは第二のレーザー光を吸収し、価電子帯から伝導帯に励起する。そこに第一のレーザー光が入射すると、 (2)及び(7) のプロセスが主に生じると考えられる。
【００２７】
つまり、第一のレーザー光は、Si基板11中のBMD と散乱される。第一のレーザー光の入射位置を移動させながらBMD からの散乱光を検出することにより、Si基板11中のBMD のX ・Z 空間分布( 平面分布) を測定することができる。この場合、表面よりＹ1までの間のBMD を評価することになる。
【００２８】
また、第一のレーザー光及び、第二のレーザー光の強度を同条件にしたまま、ステージ10の位置を移動させ、上記した動作を繰り返し、各位置での散乱光を検出し、BMD のX ・Z 空間分布( 平面分布) をとることができる。この場合、表面よりＹ1までの間のBMD を評価することになる。
【００２９】
次に、第一のレーザー光のエネルギー値は変化させず、第二のレーザー光のエネルギー値のみ高くして( 第二の条件とおく) 、上記した動作を繰り返す。すると、第二のレーザー光を吸収した励起したキャリア、すなわち自由電子が増加し、更に自由電子は第一のレーザー光を吸収するため、第一のレーザー光の被吸収量が増加し、第一のレーザー光はＹ1より浅いＹ2の深さまでに入射する。この場合は、表面よりＹ2までの位置のBMD を評価できることになる。
【００３０】
よって、第一の条件と第二の条件の差をとることにより、Ｙ1とＹ2の間の
BMD のＸ・Ｚ空間分布が測定できる。
そして、第二のレーザー光の強度を徐々に強くし、同様の動作を繰り返す。こうすることにより、BMD のＸ・Ｙ・Ｚ空間分布がわかる。
【００３１】
尚、本発明は、第ニのレーザー光のエネルギー値を変えることにより、Si基板11中のキャリア濃度を変化させ、第一のレーザー光のSi基板11における入射深さを変化させている。( また、強度を変えることによっても、同様の結果が得られる。)
つまり、本発明の特徴は、従来の制御方法に比べ、（Si基板11中のキャリア濃度を入射レーザー光のエネルギー値、強度で制御できるため）制御性が高く、試料11の表面散乱の影響は非常に小さく、従来と異なり表面近傍の結晶欠陥分布を測定できる点にある。
【００３２】
さらに、従来と比較し本発明は安定性が良く、検出結果の再現性が高い。
また、本発明では、測定されたBMD 分布の深さを決めることができるため、各散乱率( Ｉ／Ｉ0) を正確に求めることができる。ここで、Ｉ0は第一のレーザー光の強度、Ｉは散乱強度を表す。散乱率はBMD 分布の６乗に比例するためBMD の大きさを求めることができる。従来の方法では、基板表面のBMD の散乱率を正確に求めることができなかった為、サイズの評価は不可能であった。しかし、本発明を用いることにより基板表面のBMD のサイズも測定できるようになった。
【００３３】
尚、観測の仕方は、レーザー散乱像、欠陥位置画像、散乱強度分布、BMD 密度分布をみる方法がある。
図２は、本発明による場合、図３に示した赤外レーザーを使用した場合において、上述した半導体基板の結晶欠陥のＹ軸方向における密度分布を示した比較図である。
尚、比較において、図４に示した赤色レーザーを使用した方法は、Si基板11表面近傍のY 軸方向のＢＭＤ分布をみることができないため、図３に示した赤外レーザーを使用した場合との比較を行なった。
【００３４】
20〜100 μm におけるBMD の分布は大体一致し、さらに、従来検出できなかった表面近傍のBMD まで、検出できたことがわかる。
従来例において、15μｍより表面で、測定されたBMD 密度が本発明の場合と比べて大きくなっているのは、表面散乱を測定しているためである。つまり、従来例の方法では、15μm より表面側では、表面に近づくほど表面散乱の影響が大きくなり、表面部分のＢＭＤ密度を正確に測定できなかった。
【００３５】
従って、本発明は、試料を非破壊で、従来不可能であった表面近傍での結晶欠陥の深さ分布を得る事ができる。
尚、本発明において、第一及び第二のレーザー装置の位置については、第一のレーザー光が入射した領域に、第二のレーザー光を入射すると説明したが、本作用が得られれば特に限定されない。つまり、( 試料表面において同じ位置に、第一及び第二のレーザー光が入射していることではなく) 第二のレーザー光を吸収し励起キャリアが生じている領域に、第一のレーザー光が入射できることが条件となっている。
【００３６】
尚、本発明は、上記実施例に限定されず、試料はSiだけでなく、GaAs、GaP 、ZnSeなどの化合物半導体にも適用できる。
その際、第一のレーザ光及び第二のレーザー光は、各々、試料の有するバンドギャップ未満のエネルギー値、バンドギャップ以上のエネルギー値のものを使用する。
【００３７】
また、検出対象の結晶欠陥としてBMD を例に説明したが、これに限定されない。なぜなら、光は屈折率の変化する部分で散乱するため、BMD 以外の他の析出物、転移等の結晶欠陥が検出できるからである。
【００３８】
尚、試料に入射する時の第一のレーザー光の集束度は、微小結晶欠陥を検出するため、できるだけ高いことが望ましい。また、第二のレーザー光の集束度については、上記した条件（(1) 第一のレーザー光を吸収し励起キャリアが生じている領域に第二のレーザー光が入射する。(2) 第一及び第二のレーザー光同士の干渉を防止する。）を満足すれば、特に限定されない。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は、上述のように構成されているので、半導体基板を損傷することなく、半導体基板が有する結晶欠陥の深さ分布（特に表面部分の深さ分布）を詳細に得、さらにその深さにおける結晶欠陥のサイズを得る事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の結晶欠陥検出装置の概略構成図である。
【図２】  本発明による場合、図３に示した赤外レーザーを使用した場合において、半導体基板の結晶欠陥の深さ方向における分布を示した比較図である。
【図３】  従来の、試料の側面から赤外レーザーを入射し結晶欠陥を検出する結晶欠陥検出装置を示す概略構成図である。
【図４】  従来の、試料の斜め上方向から赤色レーザを入射し結晶欠陥を検出する結晶欠陥検出装置の概略構成図である。
【符号の説明】
10                              ステージ
11,31,41                        試料, 半導体基板,Si 基板
12a                             第一のレーザー装置
12b,13b,14b,32b,34b,42b,44b     フィルター
13a                             第二のレーザー装置
14a,34a,44a                     検出器
12c                             レーザー制御装置
15                              ステージ制御装置
16                              画像処理装置
17                              モニター
18                              コンピュータ
32a,42a                         レーザー装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003688383.tif 000004
【図４】
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