(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体試料の結晶欠陥を検出する方法であって、
前記半導体試料上を格子状に走査しながら前記半導体試料に光を照射し、前記半導体試料から放出されたフォトルミネッセンス光を受光する工程と、
前記半導体試料上の各走査位置における受光した光の強度情報を得る工程と、
得られた前記強度情報から結晶欠陥がある候補位置を特定する工程と、
特定された前記候補位置を含む前記半導体試料の２次元領域に光を照射して、前記２次元領域についてのフォトルミネッセンス光を受光し、受光した光の２次元強度分布を取得する工程と、
前記２次元強度分布から直線を検出し、検出した前記直線を結晶欠陥と判定する工程と、
を含む、半導体試料の結晶欠陥検出方法。
【請求項２】
前記半導体試料を走査しながら光を照射する工程において、少なくとも異なる２方向に沿って走査しながら光を照射する、請求項１に記載の半導体試料の結晶欠陥検出方法。
【請求項３】
前記半導体試料上を少なくとも一方向に走査しながら前記半導体試料に光を照射するエリアよりも、前記２次元領域の方が大きい、請求項１又は２に記載の半導体試料の結晶欠陥検出方法。
【請求項４】
前記強度情報は、放出された前記フォトルミネッセンス光のうち照射された前記光の波長よりも長波長の光の強度情報である、請求項１から３のいずれか一項の半導体試料の結晶欠陥検出方法。
【請求項５】
前記強度情報は、前記半導体試料のバンドギャップのエネルギーに相当する波長の強度情報である、請求項４に記載の半導体試料の結晶欠陥検出方法。
【請求項６】
前記半導体試料が窒化ガリウムであり、
照射する前記光の波長が３５０ｎｍ以下且つ２００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項４に記載の半導体試料の結晶欠陥検出方法。
【請求項７】
前記結晶欠陥は、加工変質層である、請求項６に記載の半導体試料の結晶欠陥検出方法。
【請求項８】
半導体試料の結晶欠陥を検出する結晶欠陥検出装置であって、
前記半導体試料のバンドギャップ以上のエネルギーの波長の光を照射する光源と、
前記半導体試料の２次元領域からの光を受光し、前記受光した光の２次元強度分布を得るカメラと、
前記半導体試料の局所領域からの光を受光するディテクタと、
前記光源からの光を前記半導体試料に導くと共に、前記半導体試料からの光を前記カメラ又は前記ディテクタに導く光路と、
前記半導体試料からの光を導く先を前記カメラと前記ディテクタとのいずれかに切り替える光路切替手段と、
前記半導体試料を載せて移動可能なステージと、
前記光源と、前記カメラと、前記ディテクタと、前記ステージと、前記光路切替手段とを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記ステージに載せた前記半導体試料上を格子状に走査しながら、前記光源から前記半導体試料に光を照射し、前記半導体試料から放出されたフォトルミネッセンス光を前記ディテクタで受光し、
前記半導体試料上の各走査位置における受光した光の強度情報を得て、
得られた前記強度情報から結晶欠陥がある候補位置を特定し、
特定された前記候補位置を含む前記半導体試料上の２次元領域に前記光源から光を照射して、前記２次元領域についてのフォトルミネッセンス光を前記カメラで受光し、受光した光の２次元強度分布を取得し、
前記２次元強度分布から直線を検出し、検出した前記直線を結晶欠陥と判定する、結晶欠陥検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の加工変質層等の結晶欠陥を検出する結晶欠陥検出装置及び結晶欠陥検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハの加工工程において、仕上げ工程では、化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）が行われる。この工程は、ウェハ表面を原子レベルで平坦にすることと、前工程の加工で発生した結晶の歪みである加工変質層を除去することを目的として行われる。半導体の中でも特に窒化ガリウムなどのワイドギャップ半導体は化学的な安定性が高く、加工レートが低いため、生産性向上のためにはマージンを持って加工量を増やすことは行いにくく、加工変質層の評価が重要となる。また、ＣＭＰの異常や状態変化による不良流出を防ぐ意味でも加工変質層の評価は重要である。
【０００３】
従来の半導体の加工変質層を評価する方法としては、カソードルミネッセンス（ＣＬ）を用いるものがある。この方法では、電子線を照射することに発生するカソードルミネッセンス（ＣＬ）の強度が加工変質層などの結晶欠陥で低下することを利用する。例えば、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）の加工時間が進むにつれて、カソードルミネッセンス光が強まり、加工変質層が除去されていくことがわかる。
【０００４】
また、他の従来の半導体の加工変質層を評価する方法として、フォトルミネッセンス（ＰＬ）を用いるものがある（例えば、特許文献１参照。）。図１０は、フォトルミネッセンス測定によって得られた発光スペクトルを模式的に示す図面である。図１０において、半導体試料のバンドギャップに対応する波長λ１にピークＰ１を有し、加工変質層があるとピークＰ２が波長λ２付近に生じる。このピークＰ１の半値幅Ｗ１や、ピークＰ２の強度Ｉ２、ピークＰ２のＷ２、ピークＰ１の強度Ｉ１とピークＰ２の強度Ｉ２の比により加工変質層の評価を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１１８６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の構成では、生産現場において加工変質層を、特に大口径のウェハにおいて短時間で検出することは困難である。
【０００７】
カソードルミネッセンスの強度計測による方法では、電子線を利用するため、分解能は高いものの、走査型電子顕微鏡内に試料を入れる必要があり、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）用の冶具に貼り付けたままでの計測はできない。また、カソードルミネッセンス光の計測には時間がかかる。
【０００８】
また、フォトルミネッセンスは、大気圧下で短時間に計測はできるが、空間分解能は低い。このため、例えば化学的機械的研磨を１２０ｈ行った後のように、ほとんどの領域に加工変質層がなく、ごく一部のみに直線状の加工変質層がある場合には、フォトルミネッセンスで得られる情報は加工変質層がないエリアの情報が支配的となる。そのため、図１０の半値幅Ｗ１や、強度Ｉ２などでは加工変質層を検出できないという課題を有している。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、生産現場において半導体試料の結晶欠陥を短時間で検出する方法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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体試料の結晶欠陥検出方法は、半導体試料の結晶欠陥を検出する方法であって、
前記半導体試料上を少なくとも一方向に走査しながら前記半導体試料に光を照射し、前記半導体試料から放出されたフォトルミネッセンス光を受光する工程と、
前記半導体試料上の各走査位置における受光した光の強度情報を得る工程と、
得られた前記強度情報から結晶欠陥がある候補位置を特定する工程と、
特定された前記候補位置を含む前記半導体試料の２次元領域に光を照射して、前記２次元領域についてのフォトルミネッセンス光を受光し、受光した光の２次元強度分布を取得する工程と、
前記２次元強度分布から直線を検出し、検出した前記直線を結晶欠陥と判定する工程と、
を含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る半導体試料の結晶欠陥検出方法によれば、半導体試料に少なくとも一方向に光を走査してフォトルミネッセンス光の強度情報を検出する粗探索を行って、結晶欠陥の候補位置を検出できる。さらに、検出された候補位置を含む２次元領域についての２次元強度分布を得る詳細検査を行って、直線状の結晶欠陥を検出することができる。これによって、半導体の製造工程において半導体試料の表面に発生する加工変質層を高速に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に係る結晶欠陥検出装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１の結晶欠陥検出装置の構成を示すブロック図である。
【図３】実施の形態１に係る結晶欠陥検出方法のフローチャートである。
【図４】図３のステップＳ３で半導体試料に照射される光の軌跡を示す図である。
【図５】図３のステップＳ４で得られる半導体試料上の位置とフォトルミネッセンス光の光強度との関係を示す図である。
【図６】図３のステップＳ６で得られるフォトルミネッセンス画像の一例の模式図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、フォトルミネッセンス光の強度情報により結晶欠陥を検出する原理を示す図である。
【図８】半導体ウェハの加工工程を示すフロー図である。
【図９】実施の形態１に係る結晶欠陥検出装置の別例における視野絞りの別の配置例を示す概略図である。
【図１０】特許文献１に記載された従来のフォトルミネッセンスによる加工変質層の検出方法を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
第１の態様に係る半導体試料の結晶欠陥検出方法は、半導体試料の結晶欠陥を検出する方法であって、
前記半導体試料上を少なくとも一方向に走査しながら前記半導体試料に光を照射し、前記半導体試料から放出されたフォトルミネッセンス光を受光する工程と、
前記半導体試料上の各走査位置における受光した光の強度情報を得る工程と、
得られた前記強度情報から結晶欠陥がある候補位置を特定する工程と、
特定された前記候補位置を含む前記半導体試料の２次元領域に光を照射して、前記２次元領域についてのフォトルミネッセンス光を受光し、受光した光の２次元強度分布を取得する工程と、
前記２次元強度分布から直線を検出し、検出した前記直線を結晶欠陥と判定する工程と、
を含む。
【００１４】
第２の態様に係る結晶欠陥検出方法は、上記第１の態様において、前記半導体試料を走査しながら光を照射する工程において、少なくとも異なる２方向に沿って走査しながら光を照射してもよい。
【００１５】
第３の態様に係る結晶欠陥検出方法は、上記第１の態様において、前記半導体試料を走査しながら光を照射する工程において、前記半導体試料上を格子状に走査しながら光を照射してもよい。
【００１６】
第４の態様に係る結晶欠陥検出方法は、上記第１から第３のいずれかの態様において、前記半導体試料上を少なくとも一方向に走査しながら前記半導体試料に光を照射するエリアよりも、前記２次元領域の方が大きくてもよい。
【００１７】
第５の態様に係る結晶欠陥検出方法は、上記第１から第４のいずれかの態様において、前記強度情報は、放出された前記フォトルミネッセンス光のうち照射された前記光の波長よりも長波長の光の強度情報であってもよい。
【００１８】
第６の態様に係る結晶欠陥検出方法は、上記第５の態様において、前記強度情報は、前記半導体試料のバンドギャップのエネルギーに相当する波長の強度情報であってもよい。
【００１９】
第７の態様に係る結晶欠陥検出方法は、上記第５の態様において、前記半導体試料が窒化ガリウムであり、
照射する前記光の波長が３５０ｎｍ以下且つ２００ｎｍ以上であってもよい。
【００２０】
第８の態様に係る結晶欠陥検出方法は、上記第７の態様において、前記結晶欠陥は、加工変質層であってもよい。
【００２１】
第９の態様に係る結晶欠陥検出装置は、上記第１から第８のいずれかの態様の結晶欠陥検出方法を実施するための結晶欠陥検出装置。
【００２２】
第１０の態様に係る結晶欠陥検出装置は、半導体試料の結晶欠陥を検出する結晶欠陥検出装置であって、
前記半導体試料のバンドギャップ以上のエネルギーの波長の光を照射する光源と、
前記半導体試料の２次元領域からの光を受光し、前記受光した光の２次元強度分布を得るカメラと、
前記半導体試料の局所領域からの光を受光するディテクタと、
前記光源からの光を前記半導体試料に導くと共に、前記半導体試料からの光を前記カメラ又は前記ディテクタに導く光路と、
前記半導体試料からの光を導く先を前記カメラと前記ディテクタとのいずれかに切り替える光路切替手段と、
前記半導体試料を載せて移動可能なステージと、
前記光源と、前記カメラと、前記ディテクタと、前記ステージと、前記光路切替手段とを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記ステージを少なくとも一方向に走査しながら、前記光源から前記半導体試料に光を照射し、前記半導体試料から放出されたフォトルミネッセンス光を前記ディテクタで受光し、
前記半導体試料上の各走査位置における受光した光の強度情報を得て、
得られた前記強度情報から結晶欠陥がある候補位置を特定し、
特定された前記候補位置を含む前記半導体試料上の２次元領域に前記光源から光を照射して、前記２次元領域についてのフォトルミネッセンス光を前記カメラで受光し、受光した光の２次元強度分布を取得し、
前記２次元強度分布から直線を検出し、検出した前記直線を結晶欠陥と判定する。
【００２３】
以下、実施の形態に係る半導体試料の結晶欠陥検出装置及び結晶欠陥検出方法について、図面を参照しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における半導体試料５の結晶欠陥検出装置２０の概略図である。図２は、図１の半導体試料５の結晶欠陥検出装置２０の構成を示すブロック図である。
この結晶欠陥検出装置２０は、図１及び図２に示すように、光源１と、カメラ８と、ディテクタ１０と、光源１からの光を半導体試料５に導くと共に、半導体試料５からの光をカメラ８又はディテクタ１０に導く光路１４と、半導体試料５からの光を導く先をカメラ８とディテクタ１０とのいずれかに切り替える光路切替手段９と、半導体試料５を載せて移動可能なステージ１１と、制御部１２と、を備える。光源１は、半導体試料５のバンドギャップ以上のエネルギーの波長の光を照射する。カメラ８は、半導体試料５の２次元領域からの光を受光し、２次元強度分布を得ることができる。ディテクタ１０は、半導体試料５からの光を受光する。光路１４は、図１の場合には、視野絞り２、ダイクロイックミラー３、対物レンズ４、バンドパスフィルタ６、結像レンズ７を含む。また、ステージ１１は、半導体試料５を移動させることができるので、半導体試料５上への光の照射位置を走査することができる。
【００２５】
この半導体試料５の結晶欠陥検出装置２０によれば、半導体試料５上を少なくとも一方向に走査しながら光を照射して、放出されるフォトルミネッセンス光の強度情報に基づいて結晶欠陥がある候補位置を特定する粗探索を行う。その後、候補位置を含む２次元領域についてのフォトルミネッセンス光の２次元強度分布を得て、２次元強度分布から抽出した直線を結晶欠陥と判定する詳細検査を行う。つまり、あらかじめ粗探索を行うことによって、検出時間を大幅に短縮できる。これによって、半導体の製造工程において半導体試料５の表面に発生する加工変質層を高速に検出することができる。
【００２６】
以下に、この結晶欠陥検出装置２０を構成する各部材について説明する。
【００２７】
＜光源１＞
ここで、光源１から出射される光の波長としては、半導体試料５のバンドギャップ以上のエネルギーを持つ波長を選択する。例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）であれば、バンドギャップに相当する波長が３６５ｎｍのため、３６５ｎｍ以下の波長が必要となる。ただし、フォトルミネッセンス光を高精度に検出するためには光源１から出射される光はバンドパスフィルタ６で完全にカットする必要がある。このため、光源１の波長はバンドパスフィルタ６の透過帯域外である必要がある。一般的に、バンドパスフィルタの半値幅は１０ｎｍのものが多く、これに多少の安全率をかけて３５０ｎｍ以下の波長を光源１から照射するのが望ましい。また、波長が２００ｎｍ未満の光は空気中で吸収されてしまうため、光源１の波長は、２００ｎｍ以上が望ましい。そこで、光源１としては、例えば、水銀キセノンランプと中心波長３１３ｎｍのバンドパスフィルタの組合せや、発振波長が３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザなどで実現できる。
【００２８】
＜光路＞
図１において、光源１から出射された光は、視野絞り２を透過し、ダイクロイックミラー３で反射され、対物レンズ４を透過して、検査対象である半導体試料５に照射される。さらに、半導体試料５から発光されたフォトルミネッセンス光は、対物レンズ４、ダイクロイックミラー３を透過した後、バンドパスフィルタ６を透過し、結像レンズ７によりカメラ８に結像する。そこで、図１の場合には、光路１４には、光源１から半導体試料５に光を照射する際の光路と、半導体試料５からカメラ８又はディテクタ１０への光路とがある。光源１から半導体試料５に光を照射する際の光路は、視野絞り２、ダイクロイックミラー３、対物レンズ４によって構成される。半導体試料５からカメラ８又はディテクタ１０への光路は、対物レンズ４、ダイクロイックミラー３、バンドパスフィルタ６、結像レンズ７によって構成される。
さらに、視野絞り２、ダイクロイックミラー３、バンドパスフィルタ６について説明する。
【００２９】
＜視野絞り＞
光源１から照射する光の視野を絞る視野絞り２を備えてもよい。半導体試料５上を少なくとも一方向に走査しながら半導体試料５に光を照射する際には、視野絞り２によって光源１から半導体試料５上に照射するエリアを局所領域に絞ってもよい。これによって、半導体試料５上を少なくとも一方向に走査しながら半導体試料５に光を照射するエリアよりも、上記２次元領域の方が大きくなる。視野絞り２は、開口径を可変でき、かつ、対物レンズ４の焦点面と結像関係にあるため、視野絞り２の開口径を変えることで、半導体試料５に照射される光のスポット径を変えることができる。
【００３０】
＜ダイクロイックミラー＞
ダイクロイックミラー３は、光源１の波長の光を反射させ、フォトルミネッセンス光を透過するように設計される。
【００３１】
＜バンドパスフィルタ＞
バンドパスフィルタ６は、半導体試料５のバンドギャップのエネルギーに相当する波長の光を透過するように設計されることが望ましい。例えば、透過率がピークの半値となる透過帯域が３６０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下のバンドパスフィルタを用いればよい。
【００３２】
＜光路切替手段＞
光路切替手段９により、カメラ８に結像するフォトルミネッセンス光をディテクタ１０に結像するように切り替えることができる。
【００３３】
＜ステージ＞
半導体試料５は、ステージ１１に設置されており、ステージ１１を移動させることで半導体試料５を平面内で移動させることができる。これによって光源１からの光を半導体試料５に照射する光を走査させることができる。なお、この実施の形態１では、ステージ１１を移動させて半導体試料５へ照射する光を走査させたが、これに限られず、光源１、光路１４、ディテクタ１０等を含む光学系を移動させてもよい。あるいは、半導体試料５と上記光学系とを相対的に移動させることによって半導体試料５へ照射する光を走査させてもよい。
【００３４】
＜カメラ＞
カメラ８は、半導体試料５の２次元領域についてのフォトルミネッセンス光の２次元強度分布を得るものである。例えば、フォトルミネッセンス光の波長範囲の光について検出可能なエリアカメラを用いることができる。
【００３５】
＜ディテクタ＞
ディテクタ１０は、半導体試料５からのフォトルミネッセンス光の波長範囲の光を検出可能な光検出素子であればよい。
【００３６】
＜制御部＞
制御部１２は、光源１、カメラ８、ディテクタ１０、ステージ１１に接続され、カメラ８で撮像した画像や、ディテクタ１０からの信号を処理するとともに、ステージ１１を駆動し半導体試料５の位置を制御することができる。制御部１２としては、例えば、ＣＰＵ、メモリ、記憶装置、入力部、出力部等を備えたコンピュータである。
【００３７】
＜半導体試料の結晶欠陥検出方法＞
実施の形態１に係る半導体試料の結晶欠陥検出方法を、図３のフローチャートを用いて説明する。この、半導体試料の結晶欠陥検出方法では、図１の半導体試料の結晶欠陥検出装置を用いている。
（１）半導体試料５をステージ１１に設置する（ステップＳ１）。
（２）次に、視野絞り２と光路切替手段９とを加工変質層の粗探索用の設定に変更する（ステップＳ２）。具体的には、視野絞り２を狭く設定することで、半導体試料５に照射される光のスポット径を小さくする。また、光路切替手段９により半導体試料５からのフォトルミネッセンス光をディテクタ１０で検出できるようにする。
（３）図４に示すように、半導体試料５の表面に平行な平面内でステージ１１を移動させて、半導体試料５の表面に照射する光を格子状の経路２２に沿って走査させる。次いで、図１のディテクタ１０で半導体試料５からのフォトルミネッセンス光を検出し、その強度情報をステージ１１上の半導体試料５上の位置と関連付けて記憶する（ステップＳ３）。これらの制御及び記憶は、制御部１２で行う。なお、取得する強度情報は、放出されたフォトルミネッセンス光のうち光源１より照射された光の波長よりも長波長の光の強度情報である。つまり、光源１より照射された光は、バンドパスフィルタ６でカットされるからである。このとき、格子間隔はスポット径よりも大きい。なお、スポット径は、例えば０．１μ以上１０μｍ以下とする。これは、検出したい欠陥である加工変質層を認識可能なスポット径の範囲である。
【００３８】
（４）次に、ステップＳ３で記憶したフォトルミネッセンス光強度を信号処理することにより、加工変質層の候補位置を決定する（ステップＳ４）。図５は、ステップＳ４で得られる半導体試料５上の位置とフォトルミネッセンス光の光強度との関係を示す図である。図５では、縦軸に検出したフォトルミネッセンス光の強度を示し、横軸に半導体試料５の位置を示す。図５に示すように、加工変質層などの結晶欠陥があると、検出されるフォトルミネッセンス光の強度が弱くなる。このため、得られたフォトルミネッセンス光の強度情報から加工変質層がある候補位置２４ａ、２４ｂを特定する。より詳細には、フォトルミネッセンス光の強度が一定値以下になった位置２４ａ、２４ｂを加工変質層の候補位置とし、記憶する。なお、これらの情報は、図１の制御部１２に記憶される。
【００３９】
（５）図１の視野絞り２と光路切替手段９を詳細検査用に設定を変更する（ステップＳ５）。具体的には、視野絞り２を大きく設定することで、半導体試料５に照射される光のスポット径を大きくする。視野絞り２の大きさはカメラ８で撮像するエリアが全面照射される程度は必要である。また、光路切替手段９によりフォトルミネッセンス光をカメラ８で検出できるようにする。
【００４０】
（６）図１のステージ１１により半導体試料５をステップＳ４で制御部１２に記憶した加工変質層の候補位置へ移動する。そして、カメラ８で加工変質層の候補位置付近のフォトルミネッセンス光の２次元強度分布である画像を撮像し、制御部１２に記憶する（ステップＳ６）。実際に得られる画像は、例えば図６の模式図のようになり、加工変質層である直線状の暗い部分２６ａ、２６ｂ、２６ｃのほか、その他の直線状でない結晶欠陥２８ａ、２８ｂを確認できる。これらの直線状でない結晶欠陥２８ａ、２８ｂは、加工変質層以外の結晶欠陥である。
【００４１】
（７）ステップＳ６で記憶した画像から加工変質層を検出し、その結果を再び記憶する（ステップＳ７）。具体的には、図６に示すように暗い直線状の部分２６ａ、２６ｂ、２６ｃを検出する。直線状の部分の検出方法としては、一般的な直線検出の画像処理手法、例えばハフ変換等を用いればよい。
（８）候補位置を全て検査したか否かを判断する（ステップＳ８）。候補位置を全て検査するまでステップＳ６、Ｓ７を繰り返す。
（９）ステップＳ７で記憶した結果を元に半導体試料５の良否判定を行う（ステップＳ９）。なお、良否判定は、例えば加工変質層が３本以上検出されれば否とするなど、求められる品質や半導体試料５のサイズに応じて決めればよい。
以上によって、半導体試料５における結晶欠陥を検出できる。
【００４２】
ここで、加工変質層の検出原理について図７（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。図７（ａ）〜（ｄ）は、フォトルミネッセンス光により結晶欠陥を検出する原理を示す図である。なお、加工変質層は、半導体試料５の表面に生じる結晶欠陥であり、結晶が歪んだ状態である。
半導体では、図７（ａ）のようにバンドギャップ以上のエネルギーを持つ光３１が入射すると荷電子帯の基底準位にある電子が励起準位に励起され、熱平衡状態よりも過剰な電子・正孔対が形成される。励起準位にある電子が基底準位に戻ろうとするときに放出される光３２をフォトルミネッセンス光という。室温の結晶欠陥や不純物のない半導体では、図７（ｂ）に示すように、主にバンドギャップに相当するエネルギーを持つ光３２を発する。一方、結晶欠陥や不純物がある場合には、励起準位よりも低い欠陥準位や不純物準位に電子がトラップされ、その後基底準位に戻る。この場合、図７（ｃ）に示すように、バンドギャップ以下の波長の光３３を発する、もしくは、図７（ｄ）に示すように、励起準位から非発光過程を経て基底準位に戻る。このため、バンドギャップ付近のフォトルミネッセンス光３２の強度を検出すると、結晶欠陥部では励起準位から直接に基底準位に戻るよりも他の過程を経て基底準位に戻る割合が高くなるため、バンドギャップ付近の発光強度が弱くなる。そこで、バンドギャップ付近の発光強度を検出し、励起準位から直接に基底準位に戻る場合の発光強度と対比してその強弱を判断することで結晶欠陥を検出できる。
【００４３】
次に、加工変質層と他の結晶欠陥の分離方法について説明する。結晶欠陥には、加工変質層のほかにらせん転位や刃状転位など、結晶品質に依存する他の欠陥もある。加工変質層の検査としてはこれらの欠陥と加工変質層を分離する必要がある。
図８は、半導体ウェハの加工工程のフロー図である。この工程には、結晶成長工程（Ｓ１１）、平面加工工程（Ｓ１２）、ベベリング工程（Ｓ１３）、ラップ工程（Ｓ１４）、ＣＭＰ工程（Ｓ１５）、検査工程（Ｓ１６）が含まれる。加工変質層は、加工の前工程である平面加工（Ｓ１２）やラップ加工（Ｓ１４）によって発生する。これはダイアモンド砥粒が半導体試料に押し付けられて加工を行う際に、除去された周辺の結晶が歪むからである。そのため、この欠陥は砥粒の軌跡と一致し、ある程度小さい範囲では直線に近い形状となる。これにより、粗探索で格子状に結晶欠陥、つまり、フォトルミネッセンス光の強度が小さくなる点を見つければ、それは加工変質層の候補となる。また、加工変質層がほぼ直線状になっているため、格子状に走査することで、もれなく加工変質層を検出できる。ただし、粗探索だけでは、検出した結晶欠陥が加工変質層か他の結晶欠陥か分からない。このため、詳細検査により、直線状の欠陥を検出することで、他の結晶欠陥と分離して、加工変質層のみを検出できる。
【００４４】
本実施の形態１に係る欠陥検出装置及び欠陥検出方法によれば、半導体試料５に格子状に光を走査してフォトルミネッセンス光の強度情報を検出する粗探索を行って、結晶欠陥の候補位置を検出できる。さらに、検出された候補位置を含む２次元領域についての２次元強度分布を得る詳細検査を行って、直線状の結晶欠陥を検出することができる。これによって、半導体試料５の表面に発生する加工変質層を、高速に検査することができる。例えば、詳細計測のみでウエハ全面を計測しようとした場合、例えば、視野□０．２ｍｍ、１視野０．５秒とすると、２インチウェハ全面で約４１０分かかる。一方、本実施の形態１に係る結晶欠陥検出方法によれば、詳細検査の前に粗探索を行っている。この粗探索の走査速度を１００ｍｍ／ｓ、格子のピッチを１ｍｍとし、検出される欠陥の候補が１０個程度と仮定すると、ウエハ全面について約２分で結晶欠陥の検出ができる。
【００４５】
なお、本実施の形態において、図１のカメラ８とディテクタ１０の検出時に照射する光のスポット径を変更する手段として、光源１の前に視野絞り２を設けたが、これに限られない。視野絞り２は、例えば、図９に示すようにディテクタ１０の直前に設けてもよい。この場合、ディテクタ１０の直前に設けた視野絞り２について、光路を切り替えるごとに視野絞り２の大きさを変更する必要がなく、視野を絞るように設定しておけばよい。これによって、光路切替手段９で光路を切り替えるだけで、自動的に視野も変わる。
【００４６】
また、本実施の形態において、図１に示すように、カメラ８とディテクタ１０へのフォトルミネッセンス光の光路を切り替える手段として光路切替手段９を設けたが、光路切替手段９の変わりにビームサンプラを用いてもよい。この場合、カメラ８、ディテクタ１０のそれぞれで検出するフォトルミネッセンス光の強度は弱くなってしまうが、可動部である光路切替手段９が不要になる。
【００４７】
さらに、本実施の形態において、図３において、ステップＳ２、Ｓ３は直列で記載してあるがこれに限られず、ステップＳ２とステップＳ３とを並列に実行してもよい。
なお、本実施の形態において、半導体試料として窒化ガリウムの例を挙げたが、半導体試料として、ＳｉＣを用いることもできる。ＳｉＣは、結晶多形によりそれぞれ構造が異なるが、例えば４Ｈ−ＳｉＣはバンドギャップのエネルギーに相当する光の波長は３８０ｎｍとなる。
なお、結晶欠陥には、加工変質層のみならず、直線状の結晶欠陥やマイクロクラックも含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明に係る半導体試料の結晶欠陥検出装置及び結晶欠陥検出方法によれば、ウェハ全面の直線状の結晶欠陥を高速に検査することができ、加工変質層の検出だけでなく、半導体ウェハ等のマイクロクラックの検査等の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００４９】
１  光源
２  視野絞り
３  ダイクロイックミラー
４  対物レンズ
５  半導体試料
６  バンドパスフィルタ
７  結像レンズ
８  カメラ
９  光路切替手段
１０  ディテクタ
１１  ステージ
１２  制御部
１４  光路
２０  結晶欠陥検出装置
２２  経路
２４ａ、２４ｂ  結晶欠陥の候補位置
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ  直線状の結晶欠陥（加工変質層）
２８ａ、２８ｂ  その他の結晶欠陥
３１  入射光
３２  フォトルミネッセンス光
３３  バンドギャップ以下の波長の光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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