(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ処理装置によりプラズマ処理中の半導体基材に励起光を照射し、
半導体基材表面から発光された蛍光を検出し、
検出された蛍光の発光態様に基づいて、プラズマ処理中の半導体基材の表面状態を評価する半導体基材の表面モニター方法であって、
前記半導体基材のバンドギャップに対応する波長の蛍光強度、前記半導体基材の結晶欠陥に対応する波長の蛍光強度及び前記半導体基材のバンドギャップに対応する波長の蛍光強度と前記半導体基材の結晶欠陥に対応する波長の蛍光強度との比の少なくとも１つに基づいて前記半導体基材の結晶欠陥の量を評価することを特徴とする半導体基材の表面モニター方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理中の半導体基材の表面状態をインプロセスでモニターすることができる半導体基材の表面モニター方法及び表面モニター装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体基材の結晶欠陥などの表面状態を測定する技術として、走査型電子顕微鏡の電子銃により発生させた高エネルギー電子を高真空環境下に置かれた半導体基材に衝突させて基材の発光状態を検出することにより、基材表面の結晶状態を観測するカソードルミネッセンス法、半導体基材の表面状態を測定する方法としては、試料にＸ線を照射することによって生じる光エネルギーを測定することにより、試料を構成する原子の内殻電子の状態を測定するＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ  ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）法、半導体基材に光を入射させ、反射光の偏光状態の変化に基づいて、基材の屈折率や膜厚を求めるエリプソメータを用いた方法、半導体基材に熱的なエネルギーを与えることにより得られる電気的な信号の変化を測定することにより、半導体基材の結晶状態を把握するＤＬＴＳ（Ｄｅｅｐ  Ｌｅｖｅｌ
Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）法、半導体基材に光のエネルギーを与えることにより得られる電気信号の変化を測定することにより、半導体基材の結晶状態を把握するＤＬＯＳ（Ｄｅｅｐ  Ｌｅｖｅｌ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）法（例えば、非特許文献１）、などが挙げられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Chantre,A.; Vincent, G.; Bois, D.; Physical Review B (Condensed Matter), Volume 23,Issue 10, May 15, 1981, pp.5335-5359 "Deep-level optical spectroscopy inGaAs"
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、半導体基材の結晶欠陥などの表面状態はプラズマ処理後に測定されていたが、エッチングなどのプラズマ処理中に半導体基材の結晶欠陥を測定するインプロセスで表面モニターの要求が高まっている。
【０００５】
上述した技術のうち、ＸＰＳは、測定環境として高い真空度が要求されるため、プラズマ処理中の半導体基材の表面状態を測定することができない。
【０００６】
エリプソメータを用いた方法は、半導体基材表面の結晶欠陥を測定することが難しいとともに、プラズマ処理中の測定に適用するためには装置構成が複雑となり装置コストが増大するという問題があった。
【０００７】
ＤＬＴＳ法及びＤＬＯＳ法は、プラズマが電気信号の測定を阻害するため、プラズマ処理中の半導体基材の表面状態を測定することができない。
【０００８】
そこで、本発明は、プラズマ処理中の半導体基材の表面状態をインプロセスでモニターすることができる半導体基材の表面モニター方法及び表面モニター装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、プラズマ処理装置によりプラズマ処理中の半導体基材に励起光を照射し、半導体基材表面から発光された蛍光を検出し、検出された蛍光の発光態様に基づいて、プラズマ処理中の半導体基材の表面状態を評価する半導体基材の表面モニター方法であって、前記半導体基材のバンドギャップに対応する波長の蛍光強度、前記半導体基材の結晶欠陥に対応する波長の蛍光強度及び前記半導体基材のバンドギャップに対応する波長の蛍光強度と前記半導体基材の結晶欠陥に対応する波長の蛍光強度との比の少なくとも１つに基づいて前記半導体基材の結晶欠陥の量を評価する、という技術的手段を用いる。  
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、プラズマ処理中の半導体基材に励起光を照射すると、半導体基材表面から結晶状態などの表面状態に応じた波長、強度の蛍光が発光されるので、この発光態様を検出することにより、検出された蛍光の発光態様に基づいて、プラズマ処理中の半導体基材の表面状態を評価することができる。これにより、プラズマ処理中の半導体基材の表面状態をインプロセスでモニターすることができる。
【００１２】
半導体基材の表面の結晶欠陥が少ない領域では、バンドギャップに対応する波長の蛍光強度が強く、結晶欠陥が多い領域では、結晶欠陥が少ない領域に比べてバンドギャップに対応する波長の蛍光強度が弱くなり、結晶欠陥に対応する波長の蛍光強度が強くなる。また、半導体基材のバンドギャップに対応する波長の蛍光強度と半導体基材の結晶欠陥に対応する波長の蛍光強度との比も結晶欠陥の量に対応して変化する。したがって、請求項１に記載の発明のように、半導体基材のバンドギャップに対応する波長の蛍光強度、半導体基材の結晶欠陥に対応する波長の蛍光強度及び半導体基材のバンドギャップに対応する波長の蛍光強度と半導体基材の結晶欠陥に対応する波長の蛍光強度との比の少なくとも１つと半導体基材の結晶欠陥の量とを対応させることにより、これらに基づいて半導体基材の結晶欠陥の量を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の表面モニター装置をプラズマ処理装置に適用した例を示す模式図である。
【図２】半導体基材表面の結晶欠陥の検出原理を説明するための説明図である。
【図３】実施例で用いた試験装置の構成を示す模式図である。
【図４】実施例の蛍光スペクトルを示す説明図である。
【図５】実施例において、ＮＢＥ光及びＹＢ光の発光強度の時間依存性を示す説明図である。
【図６】実施例において、自己バイアス電圧と、ＮＢＥ光の発光強度及びＹＢ光の発光強度との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の表面モニター方法及び表面モニター装置について、図を参照して説明する。
【００１７】
図１に、本発明の表面モニター装置をプラズマ処理装置に適用した例を模式的に示す。ここでは、プラズマ処理装置としてプラズマエッチング装置を用いた。
【００１８】
プラズマエッチング装置は、反応性イオンエッチングやスパッタエッチングなど公知の各種方式のものを採用することができる。例えば、プラズマエッチング装置２０は、放電用電源により生成されたプラズマＰと被処理体を内部に有する側壁が石英からなるチャンバー２１と、プラズマを生成するための高周波コイル２２及び高周波電源２３と、エッチング処理が施される半導体基材Ｗを保持可能に構成されたバイアス電極２４と、バイアス電極２４を介して半導体基材Ｗにバイアス電圧を印加する高周波バイアス電源２５と、高周波電力などプラズマ密度の制御因子を制御する制御装置２６、などを備えている。
【００１９】
表面モニター装置１は、半導体基材Ｗに励起光を照射するための励起光源１１と、励起光が照射された半導体基材Ｗが発する蛍光を検出する検出器１２と、制御部１３と、を備えている。
【００２０】
励起光源１１は、ハロゲンランプ、可視光発光ダイオード、紫外線発光ダイオード、半導体レーザなどを用いることができる。励起光は、連続光、パルス光のいずれも採用することができる。
【００２１】
励起光源１１の前方には、可視光成分を除去し、励起波長、本実施形態では半導体のバンドギャップ吸収端波長よりも短い波長を有する紫外光、を選択的に透過させるためのフィルタ１４が配置されている。
【００２２】
検出器１２は、蛍光を検出可能なフォトダイオード、ＣＭＯＳなどの受光素子を備えており、受光した光を分光し各波長に対する強度を検出可能に構成されている。検出器１２には、光ファイバー１５が接続されており、蛍光を減衰させることなく効率よく検出器１２に入射させることができる。また、光ファイバー１５の先端部にはコリメータを接続することもできる。これにより、蛍光を効率よく光ファイバー１５に導くことができる。
【００２３】
制御部１３は、励起光源１１による励起光の照射の制御を行うとともに、検出器１２により検出された蛍光の発光強度に基づき、蛍光スペクトルの取得や各種演算処理などを行い、半導体基材Ｗの表面状態を評価する。
【００２４】
励起光源１１及び検出器１２の光学配置は、励起光源１１により励起光を半導体基材Ｗに十分な強度で照射可能で、検出器１２において十分な蛍光を検出できれば任意である。例えば、励起光源１１による励起光の照射方向と９０°の方向に向けて、チャンバー２１の外周に近接させて光ファイバー１５を配置することができる。励起光源１１による励起光の照射方向と同軸方向に向けて光ファイバー１５を配置することもできる。また、平行平板型のプラズマエッチング装置において、電極の一部に透過部を形成し、励起光の照射や蛍光の検出を行うことなどもできる。
【００２５】
次に、エッチング処理中における半導体基材Ｗの表面の結晶欠陥状態の測定について説明する。ここでは、窒化ガリウム（ＧａＮ）膜が形成されたサファイア基板を例に説明する。本手法が適用可能な半導体としては、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの直接遷移型半導体材料に属するものをすべてを含む。
【００２６】
まず、プラズマエッチング装置２０を作動させて、チャンバー２１内部にプラズマＰを発生させ、半導体基材Ｗのエッチング処理を行う。
【００２７】
次に、制御部１３により励起光源１１を制御し、半導体基材Ｗに励起光を照射する。これにより、高エネルギーの紫外光が半導体基材Ｗの表面（ＧａＮ）に照射される。
【００２８】
ここで、結晶欠陥の検出原理を図２を参照して説明する。励起光が照射された半導体基材Ｗの表面では、ＧａＮの価電子帯の電子が励起されて伝導帯に遷移し、伝導帯の電子が価電子帯のホールと再結合する際に、再結合のエネルギーに応じた波長の蛍光が発光される。
【００２９】
表面に結晶欠陥が存在しない領域からは、ＧａＮのバンドギャップに応じたエネルギーｈνの蛍光であるＮＢＥ（Ｎｅａｒ  Ｂａｎｄ  Ｅｄｇｅ）光が発光する。
【００３０】
一方、表面に結晶欠陥が存在する領域では、電子が価電子帯よりも高エネルギー準位の欠陥準位に存在するため、伝導帯と欠陥準位とのエネルギー差がバンドギャップより小さくなるので、ＮＢＥ光よりも波長が長い蛍光であるＹＢ（Ｙｅｌｌｏｗ  Ｂａｎｄ）光が発光する。
【００３１】
半導体基材Ｗ表面に発光性の結晶欠陥が多い程、ＹＢ光の発光強度が強くなり、ＮＢＥ光の発光強度が低下するため、これらの発光強度により結晶欠陥の量を評価することができる。
【００３２】
半導体基材Ｗ表面で発光した蛍光は、光ファイバー１５により受光し、検出器１２により検出される。検出器１２の測定波長をスキャンすることにより蛍光スペクトルが取得され、各波長に対する発光強度などの発光態様が検出される。
【００３３】
検出器１２からは、検出された蛍光の測定結果に対応する信号が制御部１３に出力される。制御部１３は当該信号に基づいて半導体基材Ｗの表面状態を評価する。
【００３４】
制御部１３では、ＮＢＥ光及びＹＢ光の発光強度と半導体基材Ｗの結晶欠陥の量とを対応させて表面状態を評価することができる。例えば、ＮＢＥ光の発光強度が低い程、半導体基材Ｗの表面に結晶欠陥の量が多いと評価することができる。また、ＹＢ光の発光強度が高い程、結晶欠陥の量が多いと評価することができる。
【００３５】
また、プラズマ処理条件によっては、半導体基材Ｗの表面状態が大きく変化し、ＮＢＥ光の発光強度、ＹＢ光の発光強度がともに低下する場合がある。このような場合には、ＮＢＥ光の発光強度とＹＢ光の発光強度との比（ＹＢ／ＮＢＥ）を評価指標とし、例えば、ＹＢ／ＮＢＥは増大すると結晶欠陥が増加したと評価することができる。また、結晶欠陥の種類（発光性、非発光性など）を評価することができる。
【００３６】
なお、ピーク強度ではなく所定の波長範囲における発光強度に基づいて結晶欠陥などの表面状態を評価することもできる。また、制御部１３は蛍光スペクトルやＮＢＥ光の発光強度、ＹＢ光の発光強度、表面状態の評価結果などを表示する表示部を備えることができる。
【００３７】
以上のように、プラズマ処理を行いながら半導体基材Ｗの表面状態をモニターすることができるので、プラズマ処理中の半導体基材Ｗのダメージ評価ができ、デバイス品質の保証やプラズマ処理を終了する条件を検出する終点検出などによるプロセス精度の向上を図る上での有用な情報を得ることができる。
【００３８】
プラズマ処理の終点検出は、例えば以下のように行う。また、評価した結晶欠陥の量に基づいて、制御部１６からプラズマエッチング装置２０に制御信号を出力し、エッチング条件、終了時期などを制御することもできる。例えば、許容される結晶欠陥の量に対応させてあらかじめＹＢ光の発光強度のしきい値を制御部１６に設定しておき、測定されたＹＢ光の発光強度がそのしきい値を超えた場合に制御部１６からプラズマエッチング装置２０に制御信号を出力し、プラズマエッチング処理を終了させる構成を採用することができる。これにより、プラズマエッチング処理における半導体基材Ｗの歩留まりを向上させることができる。
【００３９】
（実施例）
プラズマエッチング処理及び表面モニターを行う試験装置を用いて本発明の表面モニター方法及び表面モニター装置による表面モニターの効果を確認した。
【００４０】
試験装置２の構成を図３に示す。試験装置２は、プラズマエッチング装置２０及び表面モニター装置１とほぼ同様の構成であり、同じ構成については同一符号を用いるとともに説明を省略する。また、図中、構成の一部の図示を省略している。
【００４１】
試験装置２では、励起光源１２としてハロゲン−キセノンランプを用いた。また、光ファイバー１５の先端部にはコリメータ１６が接続されている。
【００４２】
バイアス電極２１は、垂直方向から励起光源１１に向かって約４５°傾斜して設けられており、励起光源１１から半導体基材Ｗに向かって水平方向に励起光を照射し、下方に配置した光ファイバー１５に蛍光を入射できるようにした。
【００４３】
プラズマＰとして、放電パワー６０ＷでＡｒプラズマ（１０ｍｔｏｒｒ）を生成させた。また、バイアス電圧は、４００ｋＨｚの正弦波で半導体基材Ｗに印加した。
【００４４】
半導体基材Ｗとして、厚さ２μｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）膜が形成されているサファイア基板を用いた。
【００４５】
半導体基材Ｗに照射する励起光は波長３１３ｎｍの紫外光を用い、検出器１２におけるスキャン波長を２００〜８００ｎｍとし、蛍光強度及び蛍光スペクトルの測定を行った。
【００４６】
図４には、測定された蛍光スペクトルを示す。ＮＢＥ光に対応する波長３６５ｎｍ近傍のピークと、ＹＢ光に対応する波長５４０ｎｍ近傍のピークと、が認められ、プラズマ処理中のＧａＮからＮＢＥ光及びＹＢ光を検出可能であることが確認された。これにより、プラズマ処理中の半導体基材Ｗの表面状態をインプロセスでモニターすることができることが確認された。
【００４７】
図５には、自己バイアス電圧を変えた場合のＮＢＥ光及びＹＢ光の発光強度の時間依存性を示す。自己バイアス電圧は、−１１８Ｖと−３９４Ｖの２水準とした。自己バイアス電圧が深い（マイナス値が大きい）程、欠陥が生じやすい条件となる。ＮＢＥ光、ＹＢ光ともに、プラズマに曝す時間が長くなるにつれて発光強度が低下しており、プラズマ処理により励起される原子が減少していることがわかる。本条件では、結晶構造に損傷が生じ、発光を伴う欠陥準位が存在しないような非発光性の結晶欠陥が増加しているものと考えられる。
【００４８】
図６には、自己バイアス電圧と、ＮＢＥ光の発光強度及びＹＢ光の発光強度との関係を示す。本図では、横軸の自己バイアス電圧は絶対値で示している。ＮＢＥ光、ＹＢ光ともに、自己バイアス電圧が増大すると発光強度が低下しており、特に２５０Ｖ以上で顕著となっている。発光性の結晶欠陥が増加すると、ＮＢＥ光の発光強度に対するＹＢ光の発光強度（ＹＢ／ＮＢＥ）は増大すると考えられるが、ほぼ一定である。以上より、本条件では、自己バイアス電圧の増大に伴い非発光性の結晶欠陥が増加しているものと考えられる。
【００４９】
以上のようにして、本発明の半導体基材の表面モニター方法及び表面モニター装置により、プラズマ処理中の半導体基材Ｗの発光態様をインプロセスでモニターすることができ、この発光様態に基づいて半導体基板Ｗの表面の結晶状態を評価することができることが確認された。
【００５０】
（実施形態の効果）
本発明の半導体基材の表面モニター方法及び半導体基材の表面モニター装置１によれば、プラズマ処理中の半導体基材Ｗに励起光を照射すると、半導体基材Ｗの表面から結晶状態などの表面状態に応じた波長、強度の蛍光（ＮＢＥ光、ＹＢ光など）が発光されるので、この発光態様を検出することにより、検出された蛍光の発光態様に基づいて、プラズマ処理中の半導体基材Ｗの表面状態を評価することができる。これにより、プラズマ処理中の半導体基材Ｗの表面状態をインプロセスでモニターすることができる。インプロセスの表面モニターにより、プラズマ処理中の半導体基材Ｗのダメージ評価ができるので、デバイス品質の保証やプラズマ処理の終点検出などによるプロセス精度の向上を図る上での有用な情報を得ることができる。
【００５１】
（その他の実施形態）
半導体基材Ｗに照射する励起光のエネルギーを制御して、半導体基材の結晶状態の検出深さを制御することにより、深さ方向の結晶欠陥などの状態を評価することができる。
【００５２】
本発明の半導体基材の表面モニター方法及び表面モニター装置は、プラズマエッチング装置２０以外のプラズマ処理装置、例えば、プラズマによって半導体基材Ｗに成膜を行うプラズマ処理装置に適用することもできる。
【符号の説明】
【００５３】
１…表面モニター装置
１１…励起光源
１２…検出器
１２…励起光源
１３…制御部
１４…フィルタ
１５…光ファイバー
１６…コリメータ
２０…プラズマエッチング装置
２１…チャンバー
２２…高周波コイル
２３…高周波電源
２４…バイアス電極
２５…高周波バイアス電源
２６…制御装置
【図１】
0005911351.tif 000002
【図２】
0005911351.tif 000003
【図３】
0005911351.tif 000004
【図４】
0005911351.tif 000005
【図５】
0005911351.tif 000006
【図６】
0005911351.tif 000007